ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОПЛИВНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛЯ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ УПРАВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ВПРЫСКИВАНИЯ

euroasia

8 лет назад

ВВЕДЕНИЕ.

Современное двигателестроение развивается в направлении улучшения экономических и экологических показателей, а также уменьшении эмиссии вредных выбросов в отработавших газах (ОГ). Увеличение температуры газов в цилиндре двигателя повышает КПД, однако, ведет к увеличению оксидов азота в ОГ. Одна из задач современного двигателестроения – оптимизация рабочего процесса для достижение наилучших эффективных и экологических показателей, а также изучение и поиск способов достижения этого оптимума.

Один из наиболее известных и распространенных способов решения этих задач является управление характеристикой впрыскивания. Ступенчатый передний фронт характеристики (рисунок 1) влияет на характеристику тепловыделения и на максимальную температуру рабочего цикла. Температура > 1800 ⁰С провоцирует значительное увеличение содержания оксидов азота NO_x в ОГ. [1]

Рисунок 1. Форма характеристики топливоподачи: а — прямоугольная; б — трапецеидальная; в — ступенчатая

Способ управления характеристикой впрыскивания рассмотрен применительно к современному перспективному многоцелевому двигателю ОАО Пензадизельмаш Д500П (6ЧН26,5/31,0) — рисунок 2.

Рисунок.2. Общая схема дизеля Д500П.

Дизель представляет собою четырёхтактный, шестицилиндровый комбинированный двигатель внутреннего сгорания с рядным расположением цилиндров, газотурбинным наддувом и охлаждением надувочного воздуха и является развитием семейства двигателей 12ЧН 26,5/31,0 ОАО Коломенский завод.

Целью данной работы является нахождение оптимальной формы переднего фронта характеристики впрыскивания и поиск способов ее достижения для дизеля, выполняющего экологические нормативы тепловозного двигателя Stage IIIB. Для этого были поставлены следующие задачи:

— Провести оптимизацию рабочего процесса (РП) двигателя 6ЧН 26,5/31,0;

— Изучить влияние различных форм переднего фронта характеристики впрыскивания на эффективные и экологические показатели двигателя на номинальном режиме ;

— Изучить влияние ступенчатого переднего фронта характеристики на рабочий процесс двигателя на режиме 50% мощности;

— Сформировать требования к топливной аппаратуре;

— Найти способы достижения полученной характеристики впрыскивания.

НАХОЖДЕНИЯ ФОРМЫ ОПТИМАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВПРЫСКИВАНИЯ.

Оптимизация рабочего процесса была проведена с использованием программного комплекса Дизель-РК, разработанном на кафедре Поршневых двигателей МГТУ им. Н.Э. Баумана [2]. Такой подход был апробирован многолетней практикой проектирования ТПА [3]. Основные оптимизационные работы проводились по числу и диаметру сопловых отверстий (рисунки 3, 4).

При анализе процесса в рамках многофакторного эксперимента оптимальным вариантом стал распылитель с 10 сопловыми отверстиями, диаметром 0,5 мм.

Однако, при полученных параметрах распылителя не достигался заданный в технических требованиях эффективный расход топлива. Были произведены расчеты РП при разных характеристиках впрыскивания: как по продолжительности, так и по форме. Исследовались трапециевидные характеристики и различные ступенчатые (рисунок 5). Основные показатели рабочего процесса в каждом случае были сведены в таблицу 1:

Рисунок 5. Формы исследованных характеристик впрыскивания.

Таблица 1.

Сравнение показателей различной форму переднего фронта.

Параметр	Обозначение, ед. изм.	а	б	в	г	д	е
Мощность	N_e , кВт	2091	2063	2156.4	1978	1973	2078
Среднее эффективное давление	P_e , бар	24.46	24.13	25.224	21.97	23.08	24.38
Удельный эффективный расход топлива	g_e кг/(кВт·ч)	0.2095	0.2124	198.86	0.2124	0.2226	0.2109
Эффективный КПД	%	0.3859	0.3808	39.79	0.3466	0.3641	0.3835
Коэффициент избытка воздуха при сгорании		2.1298	2.13	2.126	2.1394	2.14	2.13
Максимальное давление цикла	P_z , бар	194	190	196	185.6	186.3	192

В итоге, наилучшие показатели рабочего процесса показал вариант «в». Его основные показатели рабочего процесса сведены в таблицу 2.

Таблица 2.

Основные показатели рабочего процесса на номинальном режиме.

Кроме того, была проведена оптимизация на частичных режимах, что позволило изучить влияние ступенчатого переднего фронта на рабочий процесс.

Аналогичным образом в процессе оптимизации РП значения основных параметров ТПА уточнялись по ограничениям на эмиссию ВВ: Pm < 0,025 г/кВт.ч; NOx+CH < 4 г/кВт.ч. Вычисление удельных выбросов осуществлялось по расчетам на трех контрольных режимах: 100% мощности (весовой коэффициент 0,15); 50% мощности (весовой коэффициент 0,25); холостой ход (весовой коэффициент 0,4). Это обосновывает возможность применения разрабатываемой ТПа для дизеля, выполняющего законодательные нормативы ЕК ООН StageIIIB для тепловозных двигателей.

Исходя из исследования рабочего процесса, формулируются следующие требования к топливоподающей аппаратуре. ТПА должна обеспечивать цикловую подачу g_ц=198,9 г/кВт*ч на номинальном режиме. Максимальное давление впрыскивания не меньше 1997 бар, при 10 сопловых отверстиях в распылителе, диаметром 0,5 мм.

Характеристика впрыскивания должна иметь форму трапеции со ступенчатым передним фронтом. Относительная высота уступa h = 0.8, продолжительность по времени ψ=0,3. Распылитель: 10 х 0.5 х 154⁰. Ни на одном из контрольных режимов работы дизеля многоразовое впрыскивание не требуется.

ТОПЛИВНАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ ТРЕБУЕМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВПРЫСКИВАНИЯ.

Для достижения искомой характеристики впрыскивания возможно использование различных топливоподающих систем. Были проведены исследования применимости различных типов ТПА для исследуемого дизеля. Рассмотрены традиционная топливоподающая система непосредственного действия (с механическим приводом плунжера) и аккумуляторная ТПА (Common Rail).

В результате оптимизации и исследований было выяснено, что механическая ТПА удовлетворяет снижению эффективного расхода топлива, однако, выбросы оксидов азота и сажи значительно превышают заданные нормы. При использовании аккумуляторной ТПА достигаются лучшие результаты. Кроме того, в ходе оптимизации данной ТПА было решено использовать нестандартные специфические решения конструкции самой форсунки.

В частности, возможно использование пьезопривода форсунки, который отличается быстродействием, а главное, возможно использование прямой зависимости хода управляющего клапана от поданного на пьезоактюатор напряжения. Это позволяет получать ступенчатую характеристику впрыскивания путем модуляции управляющего электрического сигнала.

В программном комплексе ВПРЫСК была проведена оптимизация топливной аппаратуры с электрогидравлической форсункой для ТПА Common Rail с пьезоприводом управляющего клапана.

Согласно патенту фирмы Cummins управляющий клапан 76 (рисунок 6) приводится в действие от пьезоактюатора 66, а своим нижним торцем 78 взаимодействует с иглой 18. Поскольку камера управления 50 наполняется через жиклер 54, а опорожняется через канал 82, 80, то благодаря отрицательной обратной связи по подъему иглы, то подъем иглы точно обусловлен положению клапана. Такая конструкция была разработана БашГАУ [1, 4] и доведена до опытных образцов и испытаний на стендах и двигателях. Она продемонстрировала высокие значения критериев совершенства электрогидравлических форсунок. Теоретически благодаря модуляции электрического управляющего сигнала она могла бы использоваться для управления характеристикой впрыскивания. К сожалению, применяемый в ней электромагнитный привод плохо приспособлен для обеспечения промежуточного позиционирования клапана. В рассматриваемой форсунке по рисунку 6 применяется пьезопривод, его ход пропорционален приложенному напряжению и он может быть использован для промежуточного позиционирования клапана и формирования ступенчатого переднего фронта характеристики впрыскивания.

Рисунок 6. Управляющий клапан согласно патенту Cummins (US6837221).

Однако, рассмотренный на рисунке 6 клапан имеет небольшой ход, присущий работе пьезопривода. Это не позволяет управлять движением иглы, ход которой на порядок выше. Для приближения хода управляющего клапана и хода иглы предлагается в конструкцию добавить гидравлический мультипликатор перемещения. Мультипликатор с коэффициентом мультипликации 2,5 позволяет увеличить ход клапана h_кл ≈h_игла = 0,3 мм (рисунок 7).

Рисунок 7.Управляющий клапан исследуемой форсунки.

В ходе расчетной оптимизации форсунки были получены ее необходимые показатели. На рисунке 8 представлен ход иглы, на рисунке 9 — характеристики впрыскивания на номинальном режиме. Основные параметры топливной аппаратуры после оптимизации c помощью программы ВПРЫСК [5] представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Основные характеристики ТПА.

Параметры ТПА	Значение	Параметры ТПА	Значение
Максимальное давление впрыска, МПа	197,84	Число сопловых отверстий распылителя	10
Ход иглы распылителя, мм	0,3	Диаметр сопловых отверстий распылителя, мм	0,5
Радиус иглы распылителя, мм	6	Цикловая подача, г	2,477

После оптимизации, были уточнены компоновка, технические решения, КД (рисунок 10).

Рисунок10. Форсунка для дизеля Д500 с пьезоприводом управляющего клапана с гидравлическим мультипликатором перемещения.

ВЫВОДЫ.

Важнейшим результатом работы является подтверждение возможности использования пьезопривода форсунки для обеспечения гибкого управления характеристикой впрыскивания, что отличает ее от классических конструкций форсунок аккумуляторных систем. Важны также более частные выводы:

Для новых форсированных СОД рекомендуется одноразовое впрыскивание с оптимальной формой переднего фронта;
Для контрольных режимов дизеля Д500 требуется характеристика впрыскивания со ступенькой, относительная высота уступа h=0,8, относительная длина ψ= 0,2;
ЭГФ с пьезоприводом позволяет реализовать ступенчатую форму переднего фронта характеристики впрыскивания, изменяемую по режимам работы;
С использованием предложенной ЭГФ дизель Д500 обеспечивает выполнение экологических норм по вредным выбросам Stage IIIB.

Список литературы

Грехов Л.В., Габитов И.И., Неговора А.В. Конструкция, расчет и технический сервис топливной аппаратуры современных дизелей: Учебное пособие. – М.: Изд-во Легион-Автодата, 2013. – 292 с.
Программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК.
Kuleshov A.S., Grekhov L.V. Multidimensional Optimization of DI Diesel Engine Process Using Multi-Zone Fuel Spray Combustion Model and Detailed Chemistry NOx Formation Model” SAE Tech. Pap. Ser. – 2013. – № 2013-01-0882
Грехов Л.В. Габитов И.И., Неговора А.В., Аккумуляторная топливная система с электрогидроуправляемой форсункой.- Тракторы и сельскохозяйственные машины – 2001 -№7. — с.14-16.
Программный комплекс ВПРЫСК. https://energy.power.bmstu.ru/e02/inject/i00rus.htm.[schema type=»book» name=»ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОПЛИВНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛЯ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ УПРАВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ВПРЫСКИВАНИЯ» description=»Рассмотрены методы управления характеристикой впрыскивания в целях улучшения экологических и энергетических показателей среднеоборотных дизелей. Применена расчетная оптимизация рабочих процессов и процесса топливоподачи с использованием программ ДИЗЕЛЬ-РК и ВПРЫСК. Спроектиро-вана форсунка с пьезоприводом управляющего клапана. Обеспечено выполнение экологических норм по вредным выбросам Stage IIIB и снижение эффективного расхода топлива.» author=»Грехов Леонид Вадимович, Бовина Светлана Владимировна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-12″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.03.2017_03(36)_часть 1″ ebook=»yes» ]