Investigation of fuel injection in the Common Rail system on the unique scientific facility “Injection”

Full Text

Введение Практически вся транспортная, сельскохозяйственная, строительная и специальная техника в России оснащена дизельными двигателями. Они постоянно совершенствуются в том числе и за счет применения топливоподающей аппаратуры типа Common Rail, которая обеспечивает более экономичную работу с меньшим выбросом вредных веществ в окружающую среду. Основным преимуществом этой системы является возможность управления подачей топлива посредством электронного блока управления, что позволяет оперативно регулировать начало впрыска и величину цикловой подачи топлива, а также его давление в широком диапазоне. Разработка алгоритма управления форсункой в топливной системе типа Common Rail является основополагающим фактором для эффективной работы дизеля. Задание характеристик электрического импульса управления форсункой существенно упрощается при использовании специализированных безмоторных стендов, позволяющих провести исследование процессов впрыска топлива и смесеобразования. При этом уточняются конструктивные и регулировочные параметры элементов топливоподающей аппаратуры. Результаты экспериментальных исследований на безмоторных стендах также необходимы при разработке технических решений по организации внутрицилиндрового пространства, в частности, формы камеры сгорания. Такой подход целесообразно использовать при решении задач настройки и регулировки топливной аппаратуры типа Common Rail, определения характеристик впрыскивания и распыливания топлива на этапах предварительных и доводочных испытаний транспортных дизелей. В данном случае работа посвящена адаптации параметров топливной аппаратуры типа Common Rail для установки ее на транспортный дизель типа ЧН15/16. Известны работы в этом направлении ряда зарубежных и отечественных авторов. Так, авторами Musculus M.P.B., Miles P.C., Pickett L.M. разработана концептуальная модель предварительно подготовленного низкотемпературного сгорания дизельного топлива и проведены съемки топливных факелов в процессе впрыска [1]. Другая группа исследователей (Seykens X.L.J., Somers L.M.T., Baert R.S.G.) провела детальное моделирование процесса впрыска топлива с разработкой безмоторного стенда [2]. Также много работ посвящено разработке и развитию моделей топливного факела [3-7]. В то же время при проведении исследования [7] были затронуты вопросы моделирования процессов кавитационной эрозии сопловых отверстий и внутренней полости распылителя. Luo X, Wang S, de Jager B, Frank W. решали задачу моделирования многофазного впрыска топлива на основе реальной модели двигателя [8]. Экспериментально с высокоскоростной видеосъемкой исследовано влияние двухступенчатого впрыска на количество впрыскиваемого топлива, сгорание и уровень выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами в дизельном двигателе с системой типа Common Rail [9]. При этом авторы исследовали не только процесс впрыска, но и процесс сгорания топлива. Аналогичные исследования топливного факела представлены в работах [10, 11]. По результатам работы [12] определено влияние давления впрыскивания топлива на его распыливание и распределение по камере сгорания. Высокоскоростная визуализация переходных процессов распыливания дизельного топлива при впрыскивании под высоким давлением многосопловыми топливными форсунками позволила провести сравнение различных вариантов при разных давлениях впрыска. Обзор существующих работ показывает актуальность и целесообразность проведения предварительных экспериментальных исследований топливной аппаратуры типа Common Rail на безмоторном стенде перед установкой ее на полноразмерный двигатель. Цель исследования Основная цель данной работы определена как экспериментальное определение динамики развития топливных факелов при различных условиях впрыскивания топливоподающей аппаратурой типа Common Rail в камере постоянного объема. Экспериментальная установка В Южно-Уральском государственном университете разработана и изготовлена уникальная научная установка (УНУ) «Впрыск» с камерой постоянного объема и высокоскоростной видеосъемкой [13]. Она предназначена для комплексного исследования процесса формирования распыленной топливной струи и определения распределения топлива по объему камеры сгорания для дизелей различной мощности. УНУ «Впрыск» спроектирована с учетом мирового опыта в области моделирования [1-4] и проведения экспериментальных исследований процессов впрыскивания, распыливания, смесеобразования и сгорания топлива как на моторных, так и на безмоторных стендах [5, 9, 10]. Схема УНУ «Впрыск» приведена на рис. 1. Она оснащена следующими системами: топливоподачи типа Common Rail с регулируемым давлением от 100 до 200 МПа, подачи сжатого воздуха из баллона, продувки камеры постоянного объема, измерения давления и температуры газовоздушной смеси, управления оборудованием стенда, регистрации управляющих импульсов, а также высокоскоростной видеосъемки. Основу стенда составляет универсальная камера постоянного объема с внутренним диаметром 150 мм, рассчитанная для работы под давлением до 10 МПа. В камере имеются три окна из высокопрочного кварцевого стекла для подсветки и скоростной видеосъемки движения факела распыленного топлива, гнездо для установки топливной форсунки типа Common Rail, краны для подачи воздуха и продувки, а также манометр и термопара для измерения давления и температуры. Рис. 1. Схема УНУ «Впрыск» для исследования процессов впрыска топлива и смесеобразования в камере постоянного объема С двух сторон камеры постоянного объема напротив боковых окон установлены светодиодные прожекторы мощностью 100 Вт (рис. 2). Рис. 2. Камера постоянного объема со светодиодными прожекторами Подача топлива в камеру постоянного объема осуществляется через электромагнитную форсунку, установленную в нижней части, напротив фронтального окна. Распылитель имеет 8 отверстий диаметром 0,3 мм. Давление топлива задается и регулируется в безмоторном стенде HY-EPS200 фирмы Taian Haiyu Machinery Co., Ltd, установленном рядом с камерой (рис. 3). Рис. 3. УНУ «Впрыск» для исследования процессов впрыска и смесеобразования в камере постоянного объема с высокоскоростной видеосъемкой: 1 - электронный блок управления; 2 - контроллер-синхронизатор; 3 - персональный компьютер; 4 - осциллограф; 5 - скоростная видеокамера; 6 - камера постоянного объема со светодиодными прожекторами; 7 - стенд для испытаний топливной аппаратуры типа Common Rail Система управления стендом включает персональный компьютер (ПК), контроллер-синхронизатор и электронный блок управления с силовыми электронными ключами (рис. 1), установленные рядом с камерой (рис. 3). С помощью программы на ПК задаются моменты времени всех управляющих импульсов, что обеспечивает синхронность единичного впрыска топлива в камеру постоянного объема, включения скоростной видеокамеры и регистрации процессов на 4-х канальном цифровом цветном осциллографе Tektronix TDS-2014C. Для получения высокоскоростной цветной видеозаписи используется видеокамера японской фирмы Photron FASTCAM SA-X2. Скорость видеосъемки задается от 1 000 до 100 000 кадров в секунду. Результаты сохраняются в формате видео и фото. Примеры фотографий развития топливных факелов в камере постоянного объема через 1,7 мс после начала подачи управляющего импульса на электромагнитную форсунку при различных давлениях в аккумуляторе (от 100 до 165 МПа) представлен на рис. 4. Методика экспериментальных исследований Зависимость динамики развития топливных факелов, а также фактического начала и окончания впрыска топлива от электрического импульса управления форсункой при различных давлениях в топливной рампе являются определяющим условием разработки алгоритма управления форсункой дизельного двигателя. Однако в литературных источниках этому вопросу уделяется недостаточно внимания, а выводы носят противоречивый характер. Анализ приведенных работ позволил разработать методику исследований на УНУ «Впрыск» для проведения испытаний дизельных топливных форсунок. Поэтому в описываемых экспериментальных исследованиях решались задачи по определению продолжительностей задержки фактического начала и фактического окончания процесса впрыска топлива, динамики изменения длины распыленных топливных факелов, величины углов конусов топливных факелов при различных продолжительностях электрического импульса управления форсункой и давлениях в топливной рампе. Во время экспериментов с помощью контроллера-синхронизатора задавались моменты начала τн.у.впр и окончания τок.у.впр электрического импульса управления электромагнитной форсункой, видеосъемки на видеокамеру и записи осциллограмм на цифровом осциллографе. Продолжительность электрического импульса управления форсункой задавалась от 0,5 мс до 3,0 мс с шагом 0,5 мс. Начальное давление в топливной рампе задавалось от 100 МПа до 165 МПа. Давление воздуха в камере постоянного объема поддерживалось на уровне 3,0 МПа при температуре около 20°C. а) б) Рис. 4. Примеры фотографий развития топливных факелов в камере постоянного объема при продолжительности электрического импульса управления форсункой 1,0 мс и различных давлениях в топливной рампе системы Common Rail: а - в момент времени 1,3 мс от начала впрыска; б - в момент времени 1,8 мс от начала впрыска Фактические моменты начала τн.впр и окончания τок.впр впрыска топлива электромагнитной форсункой определялись по результатам видеосъемки и отсчитывались от ее начала. При скорости видеосъемки 10 000 к/с временной интервал между последовательными кадрами составлял 0,1 мс. За момент начала впрыска τн.впр принимался момент, когда появлялись первые струи топлива из сопловых отверстий распылителя. За момент окончания впрыска τок.впр принимался момент, когда прекращалось истечение топлива из сопловых отверстий распылителя. Продолжительность впрыска топлива τвпр определялась как разница между моментами окончания τок.впр и начала τн.впр впрыска топлива. Продолжительности задержек начала впрыска τз.н.впр и окончания впрыска τз.ок.впр определялись по сопоставлению результатов временной регистрации электрических импульсов управления форсункой на цифровом осциллографе Tektronix TDS-2014С с результатами фиксации моментов начала и окончания впрыска видеокамерой FASTCAM SA-X2. При одновременном включении видеокамеры и подачи электрического импульса управления форсункой, τз.н.впр численно равна τн.впр. Продолжительность задержки окончания впрыска τз.ок.впр определялась как разница между моментами τок.впр и τок.у.впр. Динамика изменения длины распыленных топливных факелов определялась измерением длин видимых частей факелов (расстояний от сопла распылителя до вершины видимой части топливных факелов) по их изображениям с течением времени, полученным в результате видеосъемки на высокоскоростной видеокамере. Результаты исследований Результаты скоростной видеосъемки на всех исследованных режимах обрабатывались для определения задержек начала τз.н.впр и окончания τз.ок.впр впрыска топлива, а также длин и углов конусов топливных факелов на каждом кадре. Полученные данные оформлялись в виде таблиц, по которым построены графики зависимости продолжительности процесса впрыска топлива и задержки окончания впрыска от давления в топливной рампе pт.р. (рис. 5) и продолжительности электрического импульса управления форсункой τу.впр. (рис. 6). Рис. 5. Зависимость продолжительности впрыска топлива и задержки окончания впрыска от давления топлива в рампе системы Common Rail при различных продолжительностях электрического импульса управления форсункой Здесь видно, что задержка окончания впрыска τз.ок.впр на всех исследованных режимах (кроме τу.впр = 0,5 мс) составляла 1,0±0,2 мс. При этом продолжительность процесса впрыска топлива практически не зависит от давления топлива в рампе pт.р., но увеличивается пропорционально росту продолжительности электрического импульса управления форсункой τу.впр в диапазоне от 1,0 до 3,0 мс. Задержка начала впрыска топлива τз.н.впр на всех исследованных режимах оставалась постоянной и составляла около 0,3 мс. Рис. 6. Зависимость продолжительности впрыска топлива и задержки окончания впрыска от продолжительности электрического импульса управления форсункой при различных давлениях в топливной рампе системы Common Rail Рис. 7. Динамика изменения средней длины топливных факелов при продолжительности электрического импульса управления форсункой 1,0 мс и различных давлениях в топливной рампе системы Common Rail На рис. 7 приведены графики динамики изменения средней длины топливных факелов при продолжительности электрического импульса управления форсункой 1,0 мс и различных давлениях в топливной рампе системы Common Rail pт.р. от 100 до 165 МПа, построенные по результатам обработки фотографий. Исследования показали, что на начальном участке впрыска в течение 0,5 мс максимальная скорость движения вершины топливного факела составляла от 35 м/с (при 100 МПа) до 50 м/с (при 165 МПа), затем она в течение 0,8 мс снижалась до 31 м/с и 38 м/с, соответственно. В результате факелы достигали длины 60 мм в среднем через 1,7 мс от начала управляющего импульса. На фотографиях (рис. 4) видно, что видимые контуры топливных факелов неровные, имеют местные искривления и существенно отличаются по форме от геометрического конуса. Это вызвано турбулентными потоками на границе соприкосновения топливного факела со сжатым воздухом. Однако в первом приближении форму факела распыленного топлива общепринято представлять в виде конуса. Поэтому определение величины угла конуса топливных факелов осуществлялось по средней линии внешней поверхности без учета флуктуации с исключением головной части факела. Измеренные величины углов конуса топливных факелов для каждого режима испытаний и для каждого факела заносились в таблицы. Анализ результатов измерения показал, что при постоянном давлении в топливной рампе и различных продолжительностях подачи управляющего сигнала на форсунку величины углов конуса факелов практически не изменяются. С увеличением pт.р. от 100 МПа до 165 МПа углы конусов топливных факелов уменьшаются от 20º…22º до 17,5º…18,5º, то есть в среднем на 15 %. Заключение Оборудование уникальной научной установки «Впрыск» позволяет с помощью высокоскоростной видеосъемки зарегистрировать и исследовать влияние регулировочных параметров топливоподающей аппаратуры типа Common Rail (давления впрыскивания топлива, продолжительности электрического импульса управления форсункой) на задержки начала и окончания, а также на продолжительность впрыска топлива, на динамику развития и изменение угла конуса топливных факелов в камере постоянного объема. Проведенными исследованиями работы электромагнитной форсунки с восьмью распыливающими отверстиями диаметром 0,3 мм при давлениях в топливной рампе системы Common Rail pт.р. от 100 до 165 МПа и продолжительности электрического импульса управления форсункой τу.впр от 1,0 до 3,0 мс установлено следующее: · задержка начала процесса впрыска топлива от момента начала подачи электрического импульса управления форсункой на всех исследованных режимах составила 0,3 мс; · задержка окончания процесса впрыска топлива от момента окончания подачи электрического импульса управления форсункой на всех исследованных режимах составила около 1,0 мс за исключением режимов с продолжительностью электрического импульса управления форсункой 0,5 мс, на которых она составила 0,4 мс; · для всех исследованных режимов продолжительность процесса впрыска топлива как правило на 0,7 мс больше продолжительности электрического импульса управления форсункой за исключением режимов с продолжительностью электрического импульса управления форсункой 0,5 мс, на которых она составила 0,1 мс; · на начальном участке впрыска в течение 0,5 мс максимальная скорость движения вершин топливных факелов составляла от 35 м/с (при 100 МПа) до 50 м/с (при 165 МПа), затем она в течение 0,8 мс снижалась до 31 м/с и 38 м/с, соответственно; · с увеличением давления в топливной рампе от 100 МПа до 165 МПа углы конусов топливных факелов уменьшаются от 20º…22º до 17,5º…18,5º, то есть в среднем на 15 %. Результаты таких исследований могут быть применены на стадиях проектирования и доводки дизельных двигателей, при решении задач оптимизации формы камеры сгорания с целью обеспечения качественного процесса смесеобразования в цилиндре двигателя для достижения максимально возможных технико-экономических и экологических показателей.

About the authors

V. G Kamaltdinov

South Ural State University

Email: vkamaltdinov@yandex.ru
Dr.Eng.

V. A Markov

Bauman MSTU

Dr.Eng.

I. O Lysov

South Ural State University

A. E Popov

South Ural State University

Ph.D.

A. E Smoliy

South Ural State University

References

Supplementary files