The fuel pump of a new generation

Full Text

При решении задач по повышению технического уровня дизелей всё более востребованными становятся разработки новых топливных систем впрыска, обеспечивающих повышение комплексных показателей надёжности и эффективности использования дизельных двигателей с улучшенными топливно-экологическими характеристиками [1, 2]. Создание топливных компонентов для дизелей, которые бы удовлетворяли современным требованиям по экологическим показателям: дымности, содержанию токсичных веществ в отработавших газах и уровню звукового давления шума, генерируемого в процессе работы, и одновременно обеспечивали бы существенное снижения трудоёмкости изготовления и технического обслуживания, – следует отнести к весьма сложной задаче, если идти по пути совершенствования топливных систем традиционного исполнения на базе топливных насосов высокого давления (ТНВД). Перспективным вариантом решения этой задачи является использование так называемого электрогидравлического эффекта (эффект Юткина) [5] при разработке топливных насосов нового поколения [3, 4]. В этом случае открываются новые горизонты и перспективы для совершенствования топливных систем двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Известно, что модернизация современных топливных систем впрыска, использующих ТНВД распределительного типа, насосы-форсунки или устройства типа Common Rail [1], может обеспечить некоторое повышение эффективности и экологичности дизельных двигателей, однако неизменными остаются следующие недостатки: сложность конструкции, высокая металло- и трудоёмкость изготовления, сборки, настройки и регулировки; ограниченность уровня рабочих давлений; низкая надёжность кинематических элементов механизмов; высокий уровень мощностных затрат силового привода; высокий уровень звукового давления в процессе работы, соизмеримый с общим уровнем шума двигателя. Для устранения указанных недостатков в настоящей работе предлагается к применению принципиально новое устройство – электрогидравлического насос (ЭГ-насос), представляющий собой простое конструктивное решение (корпус насоса в виде оболочки с внутренним пространством – рабочей камерой, два высоковольтных электрода и два обратных гидроклапана), способный встраиваться в любую топливоподающую систему ДВС как в виде насосов-форсунок, так и в системах Common Rail в качестве ТНВД с принципиально новым принципом действия. Работа ЭГ-насоса осуществляется посредством формирования в объёме его рабочей камеры (заполненной топливом) импульсных электрических разрядов, обеспечивающих устойчивое развитие быстропротекающих процессов в следующей последовательности: электрический пробой топливной среды и образование канала разряда; мгновенное выделение энергии в канале с интенсивным локальным разогревом топлива; образование парогазовой полости (с большим внутренним давлением и высокой концентрацией энергии) в виде перегретого ионизированного газа и топливных паров; расширение полости, сопровождающееся генерированием высокого импульса давления с образованием расходящегося потока топливной среды; пульсацией образовавшейся полости. Так, после электропробоя топливной среды вокруг зоны сформированного разряда образуется плазменный канал с высокой температурой (), за счёт которого происходит интенсивный локальный разогрев топлива и его испарение с высокой концентрацией энергии в виде перегретого ионизированного газа и топливных паров. Последующее расширение канала разряда в виде парогазовой полости (пузыря) под действием внутреннего давления создаёт в окружающей (практически несжимаемой) жидкой топливной среде ударную волну с высоким уровнем давления, которое в результате образовавшихся паров и последующего их смешения с парами находящихся в топливе газов формирует трёхфазную среду. Расширение полости продолжается до тех пор, пока давление в ней из-за инерции потока топлива не станет меньше или равно давлению внешней (относительно полости) топливной среды. С этого момента начинается обратное движение топлива, полость захлопывается, и давление в ней газопаровой топливной смеси опять резко возрастает. Процесс повторяется в виде нескольких постепенно затухающих пульсаций полости. После первого цикла гидравлического удара, получив ускорение в канале разряда, паротопливная смесь перемещается во все стороны, образуя на том месте, где был разряд, значительную по объёму кавитационную полость. Расширяющаяся паротопливная смесь после её выхода через обратный гидроклапан (напорный гидроклапан) из рабочей камеры насоса в напорную линию воздействует с высокой скоростью на находящееся в ней топливо, обеспечивая его подачу в форсунки цилиндров дизельного двигателя. На этом первый цикл работы ЭГ-насоса заканчивается, а образовавшийся в рабочей камере вакуум обеспечивает её заполнение топливом через обратный гидроклапан (всасывающий гидроклапан) всасывающей насосной магистрали, и цикл полностью повторяется. В настоящее время авторским коллективом, состоящим из преподавателей двух кафедр «Гидравлика и ГПП» и «Автоматизированные станочные системы и инструменты» Университета машиностроения разработана конструкторская документация и изготовлен лабораторный образец (макет) ЭГ-насоса (рисунок 1) для оценки функциональных возможностей и контроля рабочих параметров происходящих процессов. Как показали полученные результаты экспериментальных исследований, проведенные на макете ЭГ-насоса, создаваемое избыточное давление топлива в канале разряда рабочей камеры насоса зависит от емкости конденсатора и индуктивности цепи разряда электронного блока преобразователя. а) б) Рисунок 1 – Топливный ЭГ-насос высокого давления: а) общий вид; б) эскиз (в 3-D). Так, на рисунках 2 и 3 представлены экспериментальные зависимости давления в функции индуктивности и емкости при напряжении пробоя на высоковольтных электродах . Рисунок 2 – Зависимость давления в канале разряда от индуктивности цепи при и постоянной электроемкости Рисунок 3 – Зависимость давления в канале разряда от электроемкости цепи при и постоянной индуктивности Из графика 2 видно, что уменьшение индуктивности с до приводит к увеличению давления разряда с до при постоянной электроемкости (грубая регулировка давления), а с уменьшением емкости с до и постоянной индуктивности (рисунок 3), давление возрастает с до (тонкая регулировка давления). Следовательно, для увеличения и КПД ЭГ-насоса целесообразно уменьшать индуктивность и емкость конденсатора блока преобразователя. Таким образом, полученные результаты экспериментальных исследований (реальной апробации), проведенных на лабораторном макете ЭГ-насоса (при частоте электроразрядов от 1 до ) показали: · Возможность практического использования разработанной конструкции насоса, работающей на эффекте Л.А. Юткина, без использования какого-либо электромеханического привода; · Возможность создания больших избыточных давлений () насосом нового типа по сравнению с серийно выпускаемыми ТНВД (); · Возможность плавной (грубая и тонкая) регулировки создаваемых избыточных давлений топлива в рабочей камере насоса. Экспериментальные исследования подтвердили правильность результатов теоретических разработок, выполненных для обоснования возможности применения ЭГ-насоса высокого давления в топливных системах дизельных ДВС, а высокий КПД и надежность работы насоса, главным образом, связаны с его простотой конструкции и отсутствием каких-либо приводных кинематических цепей. Выводы На основании полученных результатов исследований считаем, что разработанный топливный ЭГ-насос высокого давления может быть рекомендован для практического использования в ДВС вместо традиционных плунжерно-поршневых ТНВД после прохождения ряда промышленных испытаний, а его основными достоинствами являются: · Возможность стабильной работы ЭГ-насоса без использования какого-либо электромеханического привода, что исключает мощностные затраты, связанные с приведением в движение привода топливонасоса и снижает шумность работы ДВС; · Возможность создания, по сравнению с серийными ТНВД, больших избыточных давлений, под действием которых топливо будет качественно распыляться в камерах внутреннего сгорания, повышая топливно-экономические показатели ДВС; · Возможность гибко управлять работой разработанного насоса с помощью электронного пульта управления, что улучшает процесс контроля дозирования и впрыска топлива в камеру сгорания, повышая эффективность работы ДВС в целом; · Применение ЭГ-насоса также позволяет значительно снизить металлоемкость конструкции и стоимость топливной системы ДВС, а также упростить ее техническое обслуживание. Обобщая вышеизложенное, можно заключить, что приведённые результаты научно-исследовательских работ, направленных на создание топливного насоса нового поколения, свидетельствуют (в рамках реализованных теоретических и экспериментальных исследований) о возможности эффективного использования разработанного ЭГ-насоса высокого давления в топливных системах современных дизелей, причем область его применения не ограничивается только двигателестроением, а имеет потенциал в других областях промышленности.

About the authors

Y. V Maksimov

Moscow State University of Mechanical Engineering

V. K Sokovikov

Moscow State University of Mechanical Engineering

A. A Bekaev

Moscow State University of Mechanical Engineering

Email: bekaev@list.ru

P. I Strokov

Moscow State University of Mechanical Engineering

References

Supplementary files