Исследование подачи электрогидродинамического насоса высокого давления топливной системы дизеля

Полный текст

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.

Об авторах

В. К Соковиков

Университет машиностроения (МАМИ)

д.т.н. проф.; 8(499)9048423

П. И Строков

Университет машиностроения (МАМИ)

Email: pavig@yandex.ru
89262742508

Список литературы

Дополнительные файлы