Форсунки для Common-Rail

Аккумуляторная топливная система с электрогидроуправляемой форсункой

Для достижения высоких экономических, экологических и прочих экс
плуатационных показателей дизеля топливоподающая аппаратура (ТПА) с
электронным управлением приобрела новые функции, которые можно рас-
сматривать и как их достоинства по сравнению с ТПА традиционного типа:
гибкое формирование скоростных характеристик; минимальная неравномер-
ность подачи по цилиндрам или оптимальная подача и угол опережения
впрыска (УОВ) для каждого цилиндра; оптимальный УОВ по режимам рабо-
ты; автоматизация пуска, выключение подачи на принудительном холостом
ходу, регулирование на переходных режимах; отключение цилиндров и цик-
лов; самодиагностика системы управления (СУ), компенсация выбывших из
строя элементов с помощью резервных программ;
Для Common Rail (CR) дополнительно характерно: оптимальное регу-
лирование давления и характеристики впрыска; осуществление двухфазного
и многофазного впрыска.
На пути создания CR стоит ряд проблем: создание специального
ТНВД, эффективного быстродействующего электропривода клапана форсун-
ки, гидравлически разгруженного клапана форсунки с малым расходом топ-
лива на управление, электрогидравлической форсунки с высоким давлением
впрыска и малым расходом на управление, современной СУ с эффективным
управлением на всех режимах, программ оптимального управления.
В целях решения задач, связанных с созданием эффективной электро-
гидравлической форсунки и ее клапана в БГАУ и МГТУ проведен цикл рас-
четно-теоретических и экспериментальных работ, создано два поколения CR.
Повышенный расход на управление через клапан форсунки требует
увеличения габаритов и мощности ТНВД. Кроме того, паразитные расходы в
форсунке снижают давление впрыска. Предложенные двухзатворные клапа-
ны сложны и нетехнологичны. Поиск эффективных схем форсунок и клапа-
нов продолжается. Один из эффективных путей решение проблемы — исполь-
зование форсунок с обратными связями [1]. Большое число схем таких кла-
панов и форсунок приведено в [2]. Некоторые обратные связи изображены на
рис.1. В форсунке R. Bosch (рис.1,а) канал управления клапана закрывается
торцем поршня-мультипликатора 2 при подъеме иглы. К сожалению, игла
склонна к колебаниям, а эффект ощутим только при подходе к упору. Про
стейшее решение Коломенского филиала ВЗПИ (рис.1,в) [2] снижает давле-
ние впрыска. Форсунка по рис.1,в охвачена отрицательной обратной связью,
т. е. обеспечивает минимальное сечение канала слива и, следовательно, ми-
нимум расхода на управление, причем в отличие от решения по рис.1,а при
любых подъемах клапана. Именно эта схема и взята за основу для исследования и
создания опытной системы CR.

Рис.1. Форсунки с обратными связями по положению иглы (а,б) и по перепаду давлений на игле (в)

Форсунка, разработанная в БГАУ [3] (рис.2), отличается наличием
плунжера (мультипликатора запирания), снабженного каналами управления,
взаимодействующими с электроуправляемым клапаном.

Рис.2. Фрагмент электрогидравлической форсунки: 1- основной жиклер; 2- жиклер плунжера; 3- клапан; 4- штанга иглы; 5- якорь; 6- электромагнит; 7- надплунжерная камера управления; 8- датчик.

Для проведения данной работы использовался программного комплек-
са «Впрыск» разработки МГТУ. Он предназначен для моделирования, пара-
метрической и дискретной оптимизации ТПА всех известных типов. Ее схема
генерируется с помощью графического редактора, распознается и передается
в расчетные программы. Графические образы особенно удобны для работы с
нетрадиционной ТПА, такой, как CR. Комплекс базируется на оригинальных
научных разработках и оснащен современным пользовательским интерфей-
сом. Математическая модель учитывает неизотермичность процесса, пере-
менность скорости звука, двухфазность топлива, нестационарное гидродина-
мическое трение, динамические и жесткостные свойства привода ТНВД, пе-
реходные процессы в топливной аппаратуре. Ее описание и иллюстрации ис-
пользования приведены в [4] и на сайте МГТУ им. Н. Э. Баумана: http://
www. bmstu. ru/facult/em/em2/p01rus. htm.
Математическое моделирование использовалось для более глубокой
оптимизации конструкции. С учетом особенностей изготовления, испытаний,
свойств топлива для повышения адекватности модели проводилась ее иден-
тификация (рис.3). В частности, выявилась необходимость учета гидродина-
мического трения в тонких зазорах у иглы и плунжера (трение течения Куэт-
та), чего не делается для традиционных конструкций.

Рис.3. Давление в камере управления форсунки CR (mсFc=0,026 мм3, gц=18,6 мг, ход клапана 0,55 мм (точки – эксперимент, осциллирующая кривая – расчет без учета трения течения Куэтта, демпфированная – с его учетом)

Особенности конструкции форсунки БГАУ оказывают влияние на ее
работу. Так, даже на номинальной подаче игла жестко контролируется
управляющим клапаном и не выходит на упор, ее положение определяется
балансом сил, т. е. давлением в камере управления. По этой причине в иссле-
дованной форсунке камера управления разгружается во время впрыска зна-
чительно меньше. Большее давление управления и меньший подъем иглы в
форсунке БГАУ приводит к снижению давления впрыска, но и снижению
расхода топлива на управление. На рис.4 и в табл.1 сравниваются показатели
процессов в форсунке БГАУ и популярной форсунке Bosch, снабженной ша-
риковым клапаном (рис.1,а).
Проведенные исследования позволили приблизиться к лучшим показа-
телям форсунки Bosch, сохранив и усилив достоинства форсунки БГАУ.
В качестве критериев оптимизации выступали расход топлива на
управление gц упр, максимальное Рвпр
max и среднее`Рвпр давление впрыска.
Ввиду неопределенности формирования функции цели при многокритери-
альной оптимизации два последних переводились в ограничения в процессе
поиска оптимума с использованием штрафных функций. Оптимумы искались
несколькими из реализованных в программном комплексе «Впрыск» метода-
ми: Монте-Карло, деформируемого многогранника, Розенброка. Поиск по-
вторялся для разных стартовых точек, а число параметров оптимизации огра-
ничивалось только взаимодействующими. Таких оказалось шесть: сечения
клапана и главного жиклера, диаметр плунжера, предварительная затяжка
пружины, подъем клапана и сечение управляющих окон. Наивыгоднейшие
значения остальных параметров находились в рамках однофакторных экспе-
риментов. Результаты оптимизации сведены в табл.1.


Процесс оптимизации не дает частных результатов, удобных для ана-
лиза, поэтому оказалось полезным провести серию 1-2-факторных численных
экспериментов с теми же параметрами CR.
Оптимизация процесса в CR прежде всего обеспечивается подбором
необходимых сечений жиклера и клапана. Их наилучшее сочетание обуслов-
ливает эффективность и работоспособность системы. Так, при больших
mFжикл и малых mFкл форсунка не открывается, а при малом mFжикл — медленно
закрывается, не обеспечивает малых подач, работает неустойчиво. На рис.5
центральная зона устойчивых подач опоясана толстой кривой. Здесь, как и в
отношении многих других параметров, средства осуществления максималь-
ного давления впрыска и минимального расхода на управление не совпадают.
Влияние диаметра плунжера гидрозапирания и диаметра иглы целесо-
образно исследовать в комплексе. При dпл/dи>1,4...1,8 игла испытывает из-
лишнее воздействие от обратной связи и впрыск становится недопустимо
долгим. Другая зона неработоспособности пролегает при dпл/dи<0,8...0,95 и
связана с неустойчивостью, неуправляемостью (игла не закрывается). Внутри
рабочей зоны, наиболее благоприятными и по gц
упр и по Рвпр являются облас-
ти с уменьшенным отношением dпл/dи, а именно, вблизи границы потери
управляемости при dпл/dи "0,83. Надежная и эффективная работа CR при всех
значениях прочих параметров обеспечивается при dпл/dи=1,0...1,15.

Рис.5. Максимальное давление впрыска и цикловой расход топлива на управление при изменении сечений жиклера и клапана

Влияние хода клапана hклmax обусловлено открываемым им сечением
для разгерметизации камеры управления. При малом hклmax игла поднимается
недостаточно. Так, при hклmax<0,4 мм — нерабочая зона. Увеличение hклmax бла-
годаря обратной связи способствует большему подъему иглы, уменьшению
дросселирования топлива в запорном конусе иглы, следовательно, продол-
жительности впрыска и gцупр. Повышение hклmax выше 0,5 не оправдано в от-
ношении снижения gцупр, выше 0,7 мм — также в отношении и Рвпрmax.
Влияние сечения управляющих каналов клапана в отношении действи-
тельного подъема иглы и Рвпрmax аналогично влиянию хода клапана: не оправ-
дано более 2-3 каналов Æ0,2 мм. Четкий минимум имеет gцупр: 2 канала (при
одном канале затягивается впрыск, при многих — растут утечки).
Устойчивого влияния массы движущейся системы «игла-плунжер» не
обнаружено, исключая слабые локальные отклонения при 20 и 40 г.
Влияние объема камеры управления над плунжером однозначно: чем
он больше, тем большие расходы топлива необходимы для изменения давле-
ния, тем большие необходимы ход клапана, сечения, усилия электромагнита,
тем больше gцупр, меньше Рвпрmax, труднее обеспечить малые подачи. С учетом
конструктивных ограничений удалось снизить объем до 31 мм3.
Влияние давления начала впрыска (по пружине) также однозначно в
отношении gцупр и Рвпрmax: наилучшие показатели достигаются при минималь-
ных значениях затяжки пружины. При значениях ниже 3...4 МПа возникает
неустойчивость работы форсунки, ниже 1 МПа она неработоспособна.
Влияния хода иглы (по упору) также не обнаружено при полном ходе
более 0,13...0,15 мм. При больших значениях ввиду сильной обратной связи
по подъему иглы, она упора не достигает.
Исследование влияния диаметра сопел распылителя имеет ограничен-
ный интерес. С одной стороны, этим параметром конструктор CR не вправе
оперировать ввиду заданности из условий рабочего процесса, с другой, его
изменение требует пересмотра всех прочих параметров CR. Тем не менее за-
висимости совершенно однозначные: при изменении dc=0,15...0,4 давление и
продолжительность впрыска падают, а следовательно и gцупр.
Влияние зазора в дозаторе интересен ввиду сложившегося мнения, что
при износе трудно обеспечить длительную работоспособность золотникового
клапана. Недопустимое снижение Рвпрmax наблюдается при повышении диа-
метрального зазора выше 8...10 мкм (исходный — 2 мкм). Чувствительнее к за-
зору gцупр: при увеличении его до 3...4 мкм происходит удвоение gцупр. При
зазоре 12,5 мкм форсунка становится неработоспособной. Такой вывод сви-
детельствует о возможности изготовления и эксплуатации золотникового
клапана в рамках существующего уровня технологии прецизионных пар.
Аварийный ограничитель подачи, установленный в штуцере аккумуля-
тора, несколько искажает характеристику впрыска, уменьшая расход в сере-
дине времени подачи и увеличивая в конце. В оптимизированной конструк-
ции ограничителя отличия по давлению впрыска менее 8%, но и они могут
быть учтены при проектировании CR с заданной характеристикой подачи.
Влияние времени открытия клапана, т. е. характеристика gц=f(tоткркл)
изучается с целью выяснения возможности функционирования форсунки в
составе CR и совместимости с СУ. Выявлено, что при некоторых сочетаниях
параметров CR характеристика немонотонная, и даже имеет при малых tоткр
участок с dgц/dtоткр<0. Получено объяснение этого: перелом кривой связан с
переходом от работы форсунки без выхода клапана на упор к работе с крат-
ковременным нахождением клапана на упоре. С одной стороны, можно пока-
зать, что этот участок — нерабочий, т. к. при малых tоткр, т. е. gц высокие давле-
ния впрыска, при которых наблюдается такая аномалия, не используются
ввиду неоптимальности для рабочего процесса дизеля [1]. С другой стороны,
протяженность и амплитуду аномального участка можно изменять вплоть до
полной ликвидации изменением параметров форсунки. Так, для рабочих ре-
жимов впрыска в дизель типа Д144 (Ч10,5/12) экспериментально зарегистри-
рованные характеристики имели монотонный характер (рис.6).

Рис.6. Экспериментальные характеристики подачи при различных давлениях в аккумуляторе

На основании расчетных исследований и компьютерной оптимизации
была построена электрогидравлическая форсунка второго поколения. Ее ис-
пытания проводились на автоматизированном испытательном стенде с реги-
страцией мгновенных давлений и интегральных характеристик подачи на
ПЭВМ. Натурные испытания подтвердили спрогнозированные результаты,
приведенные в табл.1, а также работоспособность системы во всем поле по-
дач и давлений в аккумуляторе, четырехкратного изменения сечения сопел.

Вывод: созданная в лаборатории БГАУ электрогидравлическая фор-
сунка почти не уступает промышленному образцу форсунки R. Bosch по дав-
лению впрыска, но благодаря сильной обратной связи приблизительно втрое
экономичнее ее в отношении расхода на управление. Это позволяет умень-
шить размеры ТНВД и потребляемую им мощность на 20%.

Список литературы

1. Грехов Л. В. Топливная аппаратура с электронным управлением дизелей и
двигателей с непосредственным впрыском бензина: Учебно-практическое
пособие. — М.: Легион-Автодата, 2001. — 175 с.
2. Пинский Ф. И. Электронное управление впрыскиванием топлива в дизе-
лях. Учебное пособие / Коломенский филиал ВЗПИ. — 1989. — 146 с.
3. Токсичность отработавших газов дизелей / В. А. Марков, Р. М. Баширов,
И. И. Габитов и др. — Уфа: Изд-во БГАУ, 2000. — 144 с.
4. Кулешов А. С., Грехов Л. В. Математическое моделирование и компью-
терная оптимизация топливоподачи и рабочих процессов двигателей
внутреннего сгорания. — М.: МГТУ, 2000. — 64 с.