Система непосредственного впрыскивания бензина

Статья: Потапов А.И., Грехов Л.В., Малкин А.В. Разработка системы непосредственного впрыскивания бензина для малоразмерного отечественного двигателя // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, Машиностроение. Специальный выпуск “Двигатели внутреннего сгорания”. – 2007. - С. 95-102.

А.И. Потапов, Л.В. Грехов, А.В. Малкин

Разработка системы непосредственного впрыскивания бензина для малоразмерного отечественного двигателя.



В двигателях с искровым зажиганием наряду с традиционными системами подачи топлива во впускную систему в последнее десятилетие всё более важное значение приобретают системы непосредственного впрыскивания топлива в цилиндр. Ужесточение норм токсичности отработавших газов с введением в России экологического регламента для автомобильной техники ставит под сомнение возможность дальнейших разработок и производства двухтактных бензиновых двигателей с карбюратором. Радикальных средством снижения расхода бензина и токсичности отработанных газов, в первую очередь именно таких двигателей, является применение систем непосредственного впрыскивания топлива (СНВТ).

Плодотворность идеи подачи топлива после перекрытия выпускных или продувочных каналов двухтактного двигателя настолько очевидна, что её воплощение уже давно назрело. Однако создание и производство таких систем для малолитражных двухтактных двигателей с искровым зажиганием относительно сложно, связано с решением ряда проблем.

Существующие методики расчёта топливоподающей аппаратуры (ТПА) непосредственного действия по заданной характеристике впрыскивания для дизельного двухтактного двигателя позволяют получить весьма приблизительные расчётные данные для проектирования элементов бензиновой топливной аппаратуры. Отсутствие опыта работ с малыми цикловыми подачами, зачастую очень высокие частоты оборотов вала топливного насоса высокого давления (ТНВД), отсутствие возможности хорошего смазывания прецизионных деталей топливом не позволяет подходить к проектированию ТПА для бензиновых двигателей простым масштабированием дизельной. Также очевидно, что необходимое давление впрыскивания в бензиновом двигателе связано со специфическими условиями смесеобразования в нем. А это вносит существенные коррективы в конструкцию топливного насоса высокого давления и форсунки, для доводки ТПА используется компьютерная оптимизация ТПА.

Таким образом, имели место следующие этапы проектирования ТПА:
  • формирование технических требований к ТПА на основании анализа требований к двигателю, его конструкции и показателей, а также на основании оптимизации его рабочего процесса;
  • первичное определение основных размеров и параметров ТПА;
  • компьютерная оптимизация и уточнение параметров ТПА;
  • подготовка конструкторской документации;
  • изготовление ТПА;
  • безмоторные испытания ТПА на топливных стендах;
  • моторные стендовые испытания, включая оценки токсичности ОГ;
  • испытания на транспортном средстве, включая специальные тесты (экологические, климатические, ресурсные и др.).

В этой статье обсуждаются первые этапы создания СНВТ. Для оптими- зации рабочего процесса и впрыскивания топлива бензинного двухтактного двигателя с кривошипно–камерной продувкой использовались программы: “ДИЗЕЛЬ–РК” и “ВПРЫСК”, разработанные в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Это позволило уточниить ряд важных параметров и технических решений системы непосредственного впрыскивания бензина:

  • положение форсунки и ее удалённость от свечи зажигания;
  • угол наклона форсунки относительно оси цилиндра и направления потока газов;
  • необходимое давление впрыскивания топлива;
  • оптимизация параметров ТПА по критерию заданной характеристики впрыскивания.

Для двухтактных двигателей целесообразно использование топливных систем непосредственного действия ввиду их простоты, надёжности и невысокой себестоимости.

Базовыми техническими решениями такой ТПА являются:
  • обеспечение заданных давлений с помощью плунжерного ТНВД;
  • привод плунжеров с помощью эксцентрика;
  • регулирование цикловой подачи дросселированием на впуске;
  • наличие контура смазки прецизионных деталей;
  • наличие всережимного регулятора;
  • наличие пневматического регулирующего клапана на впуске;
  • простота и невысокая себестоимость конструкции.

Первичное определение основных размеров и параметров СНВТ на первом этапе (до компьютерной оптимизации) производилось с использованием следующих соотношений [1]:

1. Цикловая подача из условия обеспечения питания двигателя:
(1)

где:
– расход топлива и мощность на номинальном режиме;
– тактность (2 или 4);
– число цилиндров;
– часовой расход топлива;
– частота вращения вала двигателя;

2. Цикловая подача и производительность ТНВД из условия его размерности:
(2)

где:
– диаметр плунжера;
– активный ход плунжера;
– число плунжеров;
– коэффициент подачи;
– частота вращения вала насоса;
- плотность топлива.

3. Попутно оцениваем производительность героторного или шестерён чатого подкачивающего насоса с внутренним зацеплением для определения его размеров:
(3)

где:
- коэффициент подачи;
- плотность топлива.
b и h – ширина и высота зуба;
d – диаметр делительной окружности;
n – частота вращения;

Индексы «вн» и «нар» относятся к внутреннему и наружному колесу.

Из условия обеспечения устойчивого снабжения ТНВД, наличия утечек, расхода на охлаждение и дренажа при регулировании давления:
, где для принимается k>1. При смазке ТНВД маслом k=1,3…1,5.

4. Из (1) и (2) оцениваем базовый (реперный) размер насосной секции - диаметр плунжера:
(4)

Другие размеры элементов насосной секции оценивались по статистическим соотношениям для дизельных ТНВД.
На рис. 1 представлена трехмерная модель двухсекционного ТНВД, создаваемого для быстроходного двухцилиндрового двухтактного двигателя.

5. Среднее давление впрыскивания, число и диаметр сопловых отвер- стий, продолжительность впрыскивания предварительно могут быть связаны очевидным балансовым соотношением:
(5)

где:
– число отверстий в форсунке;
– эффективная площадь соплового отверстия;
– действительный угол впрыскивания;

- среднерасходная скорость истечения из сопла.

Последняя определяется с учетом реальной характеристики впрыскивания (рис. 2). Она может быть получена обработкой экспериментальных данных, либо для любого режима - гидродинамическим расчетом ТПА.

Для этой связи используются также полуэмпирические соотношения для длины распыленной струи , среднего диаметра капли и угла конуса струи с учетом головной части . Используются популярные формулы А.С. Лышевского для открытых камер и плотных сред [2]:

(6)

где:
            – диаметр сопла;
– плотность, коэффициент поверхностного натяжения и динамической вязкости;

индекс “в” относится к воздуху, “т” – к топливу.


Рис. 1. Плунжерный ТНВД с регулированием цикловой подачи дросселированием на впуске:
1-мембранный всережимный регулятор; 2-нагнетательный клапан; 3-крышка насоса; 4-подкачивающий насос; 5-шкив привода; 6-насос контура смазки; 7-ось дросселя; 8-эксцентриковый вал; 9-подшипник.


Рис. 2. Характеристика впрыскивания СНВТ.


6. При этом используется гипотеза о развитии топливных струй в пределах объема камеры сгорания без оседания на стенки за время подачи то- плива , о размещении их в объеме камеры по ширине струй, а также о полном испарении капель среднезаутеровского начального диаметра . В последнем случае применяется формула Срезневского в осредненных параметрах среды:
(7)

Константу испарения оцениваем по эмпирической формуле [3]:

В дальнейшем при моделировании распространения распыленной топливной струи в цилиндре уточнялись параметры форсунки и давления впрыскивания (рис. 3).

7. Если применяется не сопловая форсунка, а клапанная, то дроссе- лирующее (по-прежнему будем называть “сопловое”) сечение определяется как боковая поверхность усеченного конуса:
(8)

где:
– минимальный диаметр запорного конуса седла;
– полуугол при вершине запорного конуса клапана;


8. Форму гидравлической характеристики такой форсунки, отражающей ее поведение на различных режимах, можно определить из соотношения [4]:
(9)

где:
– давление начала впрыскивания;
– диаметр запорного конуса клапана;
– жесткость пружины;
– приведенная жесткость пружины;



Рис. 3. Визуализация процесса смесеобразования:
1-головка двигателя, 2-свеча зажигания, 3-клапанная форсунка, 4-направление потока воздуха, 5- топливная струя.

На рис. 4 представлен разрез разработанной форсунки.

Рис. 4. Клапанная форсунка:
1-корпус форсунки; 2-гайка регулировочная; 3-пружина; 4-сухарь; 5-втулка; 6- фиксатор; 7-игла; 8-корпус распылителя; 9-кольцо уплотнительное; 10-втулка дистанционная-ограничитель хода.

9. Длина трубопровода задана условиями компоновки и выбирается ми- нимально возможной. Внутренний диаметр, также уточняемый в гидродина- мическом расчете, первично оценивается из соображения допустимого гид- равлического сопротивления:
(10)

где – максимальная скорость в трубопроводе, рекомендуемая .

Для двухтактного двигателя с системой непосредственного впрыскивания топлива с механическим регулированием цикловой подачи наиболее целесообразно использовать схему регулирования по разряжению во впускном трубопроводе двигателя: теоретически и рядом опытов установлено, что с достаточной точностью можно принять, что коэффициент наполнения линейно зависит от величины . Это подтверждается кривыми изменения величин от , построенными для различных двигателей при различных числах обо- ротов вала [4]. Общая схема системы непосредственного впрыскивания, где цикловая подача топлива управляется дросселированием на впуске пневмомеханическим регулятором, может быть такой, как показано на рис. 1.


10. Величина разрежения за дроссельной заслонкой определяется по формуле:
(11)

где:
– рабочий объём цилиндров, обслуживаемых данной впускной трубой;
         – тактность двигателя;
         – эффективное сечение регулирующего дросселя;
         – скорость воздуха;

С изменением числа оборотов коленчатого вала и коэффициента наполнения изменение давления происходит также, как и расхода воздуха. Различия заключаются только в степени (1 или 2) влияния. Таким образом, зависимость усилий, действующих на диафрагму, от числа оборотов и нагрузки двигателя зависят от расхода воздуха и поэтому могут использоваться для адекватного регулирования расходом топлива. При различных положениях дроссельной заслонки эти усилия имеют вид семейства кривых, близких к параболам.


11. Усилие на диафрагму определяется по формуле:
(12)

где:
– коэффициент использования площади диафрагмы;
– диаметр диафрагмы;

С использованием методик расчёта и программ оптимизации рабочего процесса и топливоподающей аппаратуры разработанных в МГТУ им. Н.Э. Баумана на ОАО «ДААЗ» уточнялись параметры топливной аппаратуры и был изготовлен опытный образец ТПА непосредственного действия для двухтактного бензинового двигателя, подготовленный к моторным испытаниям (рис.5).




Рис.5. Элементы ТПА непосредственного действия:
1-ТНВД; 2-клапанные форсунки; 3-дроссельное устройство.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. – М.: Легион-Автодата, 2004. – 344 с.
2. Лышевский А.С. Распыливание топлива в судовых дизелях. - Л.: Судостроение, 1971. - 248 с.
3. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. - Харьков: Вища школа, 1980. - 168 с.
4. Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей / С.И.Ефимов, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. - 3 - е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1985. - 456 с.