Research on displacement of electrohydrodynamic high-pressure pump of diesel engine fuel system

Full Text

Исследование подачи электрогидродинамического насоса высокого давления топливной системы дизеля. д.т.н. проф. Соковиков В.К., Строков П.И. Университет машиностроения (МАМИ) 8(499)9048423, 89262742508, pavig@yandex.ru Аннотация. В статье рассматривается влияние высоковольтного электрическо- го сигнала, подаваемого на электроды насоса высокого давления топливной си- стемы дизеля, на расход, поступающий в цилиндры двигателя из гидроаккумуля- тора давления. Установлены основные зависимости, показывающие, что рост вы- соковольтного напряжения сигнала приводит к повышению давления в аккумуля- торе и расходу в цилиндры двигателя. Ключевые слова: двигатель, аккумулятор, дизель, электрогидродинамиче- ский насос, топливная система, электроды, расход топлива, давление впрыска. В статье рассматривается насос высокого давления для топливной системы дизеля, спо- собной создавать давление 100-150 МПа, однако схема может быть использована в системах с другой рабочей жидкостью, где требуется для работы высокое давление. Схема топливной системы дизеля с электрогидродинамическим насосом (ЭГДН) пред- ставлена на рисунке 1. Основной особенностью насоса является то, что для создания давле- ния и подачи топлива необходима подача высокого электрического напряжения (до 80 кВ) между электродами, расположенными внутри насоса. На рисунке 1 обозначено: 1 - электронный блок управления; 2 - датчик давления гид- роаккумулятора; 3 - электрогидравлические форсунки двигателя; 4 - гидроаккумулятор; 5 - электрогидродинамический насос высокого давления; 6 - высоковольтные электроды; 7 - блок повышения напряжения; 8 - информация от датчиков системы; 9 - блок задания часто- ты (или транзисторный коммутатор); 10 - система подпитки с насосом и переливным гид- роклапаном; 11 - электрогидравлический клапан. В работах [1, 2, 4] представлены результаты исследований физических процессов, про- исходящих в насосе при изменении выходных параметров электрического блока управления. Вместе с тем, создаваемое давление и подача насоса существенно зависят от подаваемого электрического напряжения и его частоты. Рисунок 1. Принципиальная схема аккумуляторной топливной системы дизеля На рисунке 2 приведена упрощенная функциональная схема электрогидродинамиче- ского насоса, из которой можно судить о взаимосвязях отдельных элементов на подачу насо- са и создаваемое давление. Рисунок 2. Функциональная схема электрогидравлического насоса На рисунке 2 обозначено: 1 - объем рабочей камеры насоса Vркн; 2 - камера разряда с двумя электродами; 3 - гидравлические потери при движении паротопливной смеси по рабо- чей камере насоса до обратного гидроклапана; 4 - расход паротопливной смеси через гид- роклапан Qак; 5 - релаксация паротопливной смеси и расход топлива через форсунки двига- теля; 6 - механизмы двигателя, включая цилиндры двигателя; 7 - обратная связь в виде при- вода к насосу подпитки. На рисунке 2 принято: Qнп - подача насоса подпитки; Pраб.к - давление в рабочей камере до электрического разряда; Pр.к - давление в рабочей камере после электрического пробоя между электродами; Pк - давление перед гидроклапаном; Pак - давление паротопливной сме- си за гидроклапанном в гидроаккумуляторе, измеряемое электрогидравлическим датчиком давления 2 (рисунок 1); Qак - расход паротопливной смеси через обратный гидроклапан насоса в гидроаккумулятор; Qц - расход топлива, поступающий в цилиндры двигателя после релаксации паротопливной смеси; nдв - обороты коленчатого вала двигателя; Uв - высокое напряжение, подаваемое на электроды рабочей камеры насоса. Работа насоса заключается в следующем. Высокое напряжение (20 - 80 кВ) подается на электроды насоса. Между электродами возникает плазменная электрическая дуга, вокруг ко- торой происходит нагрев и испарение топлива, что приводит к созданию паротопливной смеси с высоким давлением до 150 МПа. Ударная волна высокого давления и весь поток па- ротопливной смеси расширяются от электродов с большой скоростью, открывают напорный гидроклапан и паротопливная смесь поступает в гидроаккумулятор. В гидроаккумуляторе происходит релаксация этой смеси и она «превращается» в топливо, которое через электро- гидравлические форсунки поступает в цилиндры двигателя. Вместе с тем, если паротоплив- ная смесь не успела релаксироваться, то в виде подготовленной к сгоранию смеси (или вместе с топливом), направляется в цилиндры двигателя. Освободившееся пространство в рабо- чей камере насоса после подачи заполняется топливом из системы подпитки. Система подпитки механически не связана с коленчатым валом двигателя, поэтому по- дача электрогидродинамического насоса не зависит от оборотов двигателя и определяется либо блоком управления, либо оператором. Процесс повышения давления в камере разряда достаточно сложный [2, 4], он зависит от множества факторов: частоты подачи электрических импульсов, зазоров между электро- дами, формы электродов и т.д., для исследования в данной статье рассматриваем влияние только некоторых из них, а остальные условно считаем неизменными. Влияние других фак- торов на повышение давления в камере насоса рассматривались в предыдущих статьях авто- ров [1, 2, 3, 6]. Итак, в первом приближении при определенном зазоре между электродами процесс повышения давления можно представить в виде следующего графика (рисунок 3). Там же показано влияние частоты подачи электрических импульсов f . Рисунок 3. Изменение давления в камере разряда Pр.к. в функции подаваемого высокого напряжения U в На рисунке 3 предполагается, что частота подаваемого напряжения f1 >f2>f3>f4. Часто- ты выбраны произвольно через равные интервалы в рамках диапазона частот, который спо- собно создавать имеющееся у авторов экспериментальное оборудование. Рисунок показыва- ет, что рост напряжения и частоты электрического сигнала приводят к повышению давления в камере разряда Pр.к.. Для увеличения давления в гидроаккумуляторе потери в обратном гидроклапане насоса стараются сделать минимальными, в частности за счёт уменьшения массы его подвижных элементов и увеличения проходных сечений. Пренебрегая гидравлическими потерями в об- ратном гидроклапане, можно использовать уравнение расхода [5] через гидроклапан в гидро- аккумулятор в виде: Qак    Sкл  в ак  2 F  f U  P  , (1) где: Qак - расход паротопливной смеси через обратный гидроклапан в гидроаккумулятор,  - коэффициент расхода в гидроклапане, Sкл - площадь открытия гидроклапана. В результате релаксации паротопливной смеси давление в гидроаккумуляторе умень- шается, но оно вновь возрастает в результате последующих подач насоса до значения, задан- ного электрогидравлическим клапаном 11 (рис.1) и конструкцией двигателя. Поэтому коли- чество паротопливной смеси, поступающей из электрогидродинамического насоса в гидро- аккумулятор и последующей релаксации равно: п Qак   1   Sкл  в ак  2 F  f U  P  , (2) где: п - количество подач электрогидродинамического насоса в гидроаккумулятор в секун- ду. На основании уравнения (2) представим график подачи топлива в гидроаккумуляторе в функции подаваемого электрического напряжения на электроды камеры разряда при п = 2, при условии Qак = Qу , где Qу - расход поступающий в цилиндры двигателя. Рисунок 4. Зависимость расхода, поступающего в цилиндры двигателя, в функции высоковольтного напряжения U в На рисунке 4 обозначено: кривая 1 соответствует F  f   3 103 Па , кривая В 2  F  f   3,25 103 Па , кривая 3  F  f   3,5 103 Па , кривая 4  F  f   3,75 103 Па . В В В Расчеты проводились для следующих параметров:   0, 7; S  3,14 108 м2 ;  850 кг ; р  1,1108 Па . кл м3 ак Из рисунка 4 следует, что при увеличении напряжения и давления в рабочей камере насоса существенно возрастает расход, поступающий в цилиндры двигателя. Так, при изме- нении напряжения между электродами от 40 до 70 кВ при давлении в гидроаккумуляторе 1,1108 Па и F  f   3 103 Па В расход из аккумулятора возрастает с 3,9 мл/с до 12,25 мл/с. Таким образом, в статье представлены результаты расчетов влияния напряжения в ка- мере разряда на расход топлива в цилиндры двигателя. Увеличение напряжения в камере разряда приводит к росту давления в гидроаккумуляторе и расходу в цилиндры двигателя. Такое же влияние и частоты подачи импульсов. Топливная система дизеля с электрогидро- динамическим насосом может обеспечить различные режимы работы двигателя при сокра- щении расхода топлива на транспортном средстве.

About the authors

V. K Sokovikov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr.Eng., Prof.; +7 499 904-84-23

P. I Strokov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: pavig@yandex.ru
+7 926 274-25-08

References

Supplementary files