Регистрация / Вход
Прислать материал

14.580.21.0002

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.580.21.0002
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)"
Название доклада
Разработка дизельной топливной аппаратуры аккумуляторного типа с управляемыми характеристиками впрыскивания для транспортных дизельных двигателей с перспективными энергетическими и экологическими показателями
Докладчик
Шатров Михаил Георгиевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основная цель прикладных научных исследований и экспериментальных разработок, проводимых при финансовой поддержке государства в лице Министерства образования и науки Российской Федерации по соглашению № 14.580.21.0002 от 27.07.2015 г. (уникальный идентификатор ПНИЭР: RFMEFI58015X0002): – обеспечение импортозамещения в наиболее наукоемком и высокотехнологичном компоненте дизельных двигателей – дизельной топливной аппаратуре нового поколения, скорейшая ликвидация отставания в производстве современной топливной аппаратуры и возвращения рыночных позиций, утраченных отечественными производителями в последние 15 лет.
Для достижения поставленной цели в МАДИ изготовлен лабораторный образец аккумуляторной топливной системы (АТС) с управляемыми характеристиками впрыскивания. С учетом этого решены следующие задачи:
• определены технические характеристики лабораторных образцов топливного насоса высокого давления (ТНВД), электрогидравлических форсунок (ЭГФ) и компонентов линии низкого давления;
• проанализировано влияние управляемых параметров впрыскивания на колебательный процесс в каналах ЭГФ;
• оценено влияние положения входных кромок распыливающих отверстий на параметры, определяющие процесс впрыскивания топлива.
Актуальность и новизна исследования
Дальнейшее развитие рабочих процессов дизелей направлено на одновременное решение двух основных задач: повышение энергоэффективности силовых установок, а также их соответствия ужесточающимся требованиям к составу отработавших газов. Это обуславливает совершенствование рабочего процесса и конструкции АТС дизеля, направленное на: достижение давления впрыскивания 200 МПа и выше; организацию двух и более кратной подачи топлива за цикл; управление распределением топлива по зонам камеры сгорания дизеля в соответствии с режимом его работы (зональное смесеобразование).
Впрыскивание топлива вызывает существенные колебания давления топлива на входе в форсунку. Одна из причин – гидроудар при закрытии иглы распылителя. Волновые процессы оказывают влияние на характеристику впрыскивания. Их можно использовать для управления ее формой, определяющей скорость нарастания давления в цилиндре двигателя.
Расположение входных кромок распыливающих отверстий в сочетании с управлением движением запирающей иглы распылителя ЭГФ обеспечивает управление распределением топлива по зонам камеры сгорания дизеля в соответствии с режимом его работы.
Описание исследования

Объекты исследования – разработанные лабораторные образцы ТНВД, ЭГФ и компонентов линии низкого давления.

Конструкция ТНВД ПЛТД.387442.10.00 реализована в виде шести плунжеров, радиально расположенных попарно по окружности через 120° (три ряда плунжеров образуют трех лучевую звезду). Плунжеры, находящиеся в одном ряде, работают в противофазе – циклы нагнетания происходят через 180° поворота вала ТНВД. При этом циклы нагнетания топлива плунжерами чередуются через каждые 60° поворота вала насоса.

Такая последовательность рабочих ходов плунжеров обеспечивает меньшую (относительно рядной компоновки ТНВД) и равномерную нагрузку на вал привода с эксцентриковым кулачком (по сравнению с топливными системами непосредственного действия). Это снижает затраты мощности на привод ТНВД.

В ТНВД установлены клапан аварийного сброса, управляющий клапан и датчик давления топлива.

Управляющий клапан управляет подачей топлива в контур высокого давления в зависимости от режима работы двигателя. Преимущество такой конструкции состоит в том, что ТНВД должен формировать импульсы давления только тогда, когда это необходимо для работы двигателя. Это дополнительно снижает мощность, потребляемую насосом высокого давления, и исключить ненужный нагрев топлива.

Конструктивная особенность ЭГФ ПЛТД.387442.20.00 – наличие встроенного топливного аккумулятора в ее корпусе.

При подаче управляющего импульса на электромагнит сердечник электромагнита вместе с управляющим клапаном поднимается и топливо из камеры управления через выходной жиклер по дренажным каналам сливается в топливный бак. За счет дросселирования топлива на входе в камеру управления (диаметр входного жиклера меньше диаметра выходного жиклера) давление в камере управления и надыгольном пространстве снижается и под действием усилия топлива, находящегося в полости распылителя у основания запирающего конуса иглы, она поднимется, и топливо начнет подаваться в камеру сгорания двигателя.

Требуемый закон подачи топлива на любом режиме работы двигателя формируется путем изменения длительности управляющего импульса и давления в аккумуляторе.

Исследования лабораторных образцов выполнены в соответствии с нормативно-технической документацией на испытания дизельной топливной аппаратуры и топлив.

Испытания ЭГФ проведены на испытательном комплексе, разработанном в МАДИ, для исследований рабочих процессов дизельных двигателей и их топливных систем с электронным управлением непосредственного действия и аккумуляторного типа, который по ряду признаков соответствует требованиям к уникальным научным установкам (научное оборудование, не имеющее аналогов в Российской Федерации):

  •  максимальное давление, поддерживаемое в топливном аккумуляторе, 300 МПа – это значение превосходит величины рабочих давлений в линии высокого давления отечественных топливных систем и большинства зарубежных;
  •  используемое в составе стенда устройства для регистрации характеристики впрыскивания топлива ЭГФ защищено патентом Российской Федерации на изобретение № 2449164;
  •  применение в составе испытательного комплекса одноцилиндровой моторной установки с универсальным картером, безмоторного исследовательского стенда с топливной системой, подающей топливо в ее камеру сгорания, и системы управления позволяет решать задачи по доводке рабочего процесса дизеля и его топливной системы.

В МАДИ подготовлен и введен в эксплуатацию безмоторный топливный стенд ПЛТД.387442.70.00 с измерительной аппаратурой для экспериментальных исследований и испытаний создаваемой аккумуляторной топливной аппаратуры с электронным управлением для дизельных двигателей большой размерности. Максимальная мощность электрической машины испытательного стенда составляет 87 кВт. Стенд обеспечивает испытания АТС с частотой вращения вала ТНВД до 2000 мин-1, давлением в аккумуляторе pак до 300 МПа и цикловой подачей топлива до 3000 мм3. На стенде проведены испытания лабораторного образца ТНВД.

Результаты исследования

При проведении испытаний элементов лабораторного образца АТС получены следующие результаты:

  • предложенная конструкция линии низкого давления обеспечивает устойчивую работу линии высокого давления – производительность подкачивающего насоса линии низкого давления превосходит (в 1,7 … 1,9 раза) подачу топлива лабораторным образцом ТНВД в линию высокого давления;
  • при испытаниях лабораторного образца ЭГФ цикловая подача топлива возрастает с 0,55 до 2000 мм3 при увеличении продолжительности управляющего импульса от 0,75 до 6 мс и давления в аккумуляторе от 40 до 200 МПа.
  • определены гидравлические и скоростные характеристики ТНВД на безмоторном топливном стенде в диапазоне частот вращения вала от 300 до 1500 мин-1. Производительность ТНВД изменялась от 66 до 160 кг/ч, а мощность, затрачиваемая на привод ТНВД – от 0,92 до 12,15 кВт. Оценка возможности получения заданного давления в аккумуляторе показало надежную работу ТНВД в диапазоне 30 … 185 МПа.

На основании проведенных исследований показано, что разработанный лабораторный образец АТС по своим возможностям не уступает зарубежным аналогам.

Для проведения исследований гидродинамических эффектов в АТС были выбраны два варианта ЭГФ с электромагнитным приводом управляющего клапана. Вторая форсунка ЭГФ №2 отличается от первой ЭГФ №1 наличием топливного аккумулятора, встроенного в корпус, и конструкцией управляющего клапана, разгруженного от силы давления топлива.

С повышением давления pак и цикловой подачи топлива, колебательный процесс усиливается. Размах колебаний давления на входе в ЭГФ №1 при pак=150 МПа составляет 35 МПа, а при pак=50 МПа он уменьшается до 8 МПа. Увеличение внутреннего объема форсунки снижает колебаний давления, так для ЭГФ №2 на режиме pак=100 МПа и τимп=0,6 мс размах колебания давления в 3,3 раза ниже по сравнению с ЭГФ №1.

При многократном впрыскивании в результате наложения волн возможно как усиление, так и гашение колебательного процесса. Характеристика впрыскивания второй порции топлива зависит от интервал Δτимп между впрыскивания. Если вторую подачу осуществлять на заднем (увеличение давления) фронте волны (Δτимп=3,6 мс) или в зоне минимума – происходит гашение колебаний. При второй подаче на переднем (падающем) фронте волны (Δτимп=5,5 мс) или в зоне максимума колебания усиливаются.

Предложена конструкция распылителя с двумя группами отверстий. Входные кромки отверстий первой группы с коэффициентом расхода μс1 расположены в подыгольном объеме, а входные кромки отверстий второй группы (коэффициент расхода μс2) – на запирающей конической поверхности корпуса распылителя.

На основании проведенных исследований показано, что коэффициенты расхода μс1 и μс2 существенно отличаются и зависят от у. При y > 0,2 мм μс1 > μс2 на 10 … 20%, при y < 0,1 мм μс1 > μс2 в 2 … 3 раза. Это создает предпосылки к коррекции подачи топлива по распыливающим отверстиям, а следовательно, по зонам камеры сгорания: отверстия с μс1 ориентируются на дальние зоны камеры сгорания, а отверстия с μс2 – на ближние.

Практическая значимость исследования
В рамках проведенных исследований проведена проверка, предложенных МАДИ способов изменения формы характеристики впрыскивания воздействием на управляющие импульсы тока, подаваемые на управляющий электромагнитный клапан ЭГФ (заявки на изобретение № 2016115746 и № 2016139248). Экспериментально подтверждена возможность формирования как предварительных, так и последующих (за основным) впрыскиваний. Получена управляемая ступенчатая характеристика впрыскивания.
Результаты испытаний изготовленных лабораторных образцов компонентов АТС, разработанные программы и методики экспериментальных исследований, подготовленные научные стенды и измерительная аппаратура будут использоваться для производства топливных систем и доработки их конструкции с целью дальнейшего повышения эффективности и конкурентоспособности по цене и надежности.
Организация научной базы для создания новых образцов АТС с электронным управлением и их производства устраняет сложившуюся зависимость отечественного двигателестроения от импортных технологий и вызванных этим ограничений их применения, устанавливаемых зарубежными производителями.
Область практического внедрения разрабатываемой АТС – среднеоборотные дизельные двигатели в мощностном диапазоне от 800 до 3000 кВт, применяемые в качестве энергетических установок для различных видов транспорта: железнодорожный, морской, самоходная техника.
Анализ рынка потребления подтверждает растущий спрос на данную продукцию. По оценкам в ближайшее время объем производства в Российской Федерации среднеоборотных двигателей и потребность в АТС для них будет составлять до 4500 шт. По оценкам в 2016…2018 гг. ожидается стабильный рост объёма продаж среднеоборотных двигателей, укомплектованных указанными АТС, составляющий на настоящее время не менее 4%, который будет расти в среднем на 12% в год. Прогноз объема производства среднеоборотных двигателей в РФ в 2016…2020 г.г.: 950…1050 шт.