ТОПЛИВОПОДАЧА В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ НАСОСАХ ДИЗЕЛЯ С НОВЫМ МЕТОДОМ ДОЗИРОВАНИЯ

A FUEL SUPPLY IN DİSTRİBUTION DIESEL PUMP BY THE NEW DOSING METHOD

Gurban Gojayev

Senior Lecturer, Department of Transport and Logistics, Azerbaijan Technical University, Azerbaijan, Baku

Аннотация. Для улучшения работы системы топливоподачи в распределительных топливных насосах дизеля проведены сравнительные исследования нового метода дозирования и управления цикловой подачей. На математической модели с использованием метода «распада разрыва» проведены исследования нового метода дозирования и их преимущества. На математической модели вычислены и составлены соответствующие диаграммы топливоподачи на различных режимах работы распределительного дизельного насоса высокого давления.

Abstract. A comparative studies of a new dosing method and control of cyclic supply to improve the operation of fuel supply system in diesel distribution diesel pumps were carried out. Using the “gap decay” method on a mathematical model, studies of a new dosing method and their advantages were fulfilled. The corresponding fuel supply diagrams were calculated and compiled on the mathematical model for various operating modes of the high pressure distribution diesel pump.

Ключевые слова: распределительный топливный насос; нагнетающий плунжер; дозирующий плунжер; надплунжерный объём; ход плунжера; трубопровод высокого давления.

Keywords: Distribution fuel pump; pumping plunger; dosing plunger; on plunger volume; displacement of plunger; high pressure bore.

Актуальность работы. Исследования в направлении усовершенствования традиционных топливных систем дизеля, работы по улучшению характеристик топливоподачи и приведения их в соответствии к экологическим нормам делает актуальным проведённые исследования и их значение.

В распределительных, особенно роторных дизельных насосах при больших оборотах двигателя в связи с высокой интенсивностью работы нагнетающего плунжера равномерность распределения цикловой подачи топлива по цилиндрам ухудшается. Это приводит к ухудшению характеристик впрыска топлива и соответственно, характеристик двигателя. При этом традиционный способ золотникового дозирования цикловой подачи топлива не обеспечивает равномерность цикловой подачи особенно на больших скоростных режимах.

В традиционных распределительных дизельных топливных насосах золотниковое дозирование цикловой подачи топлива осуществляется следующим образом.

В распределительных насосах с внешним кулачковым механизмом, в которых кулачковый вал расположен соосно с нагнетающим плунжером, дозирование происходит за счёт перемещения втулки дозатора вдоль оси плунжера. При перемещении втулки дозатора к нижней мёртвой точке (НМТ) плунжера, отверстие канала отсечки топлива, находящееся на плунжере открывается раньше по ходу плунжера, в результате чего цикловая подача топлива становится минимальной. А при перемещении втулки дозатора к верхней мёртвой точке (ВМТ) плунжера, отверстие канала отсечки топлива открывается позже по ходу плунжера и цикловая подача становится максимальной. Рычаг перемещения втулки дозатора кинематически связан с органом управления регулятора насоса, который управляет цикловой подачей топлива в зависимости от скоростного режима работы дизеля.

На используемых насосах с внутренним кулачковым механизмом (роторные) дозирование происходит за счёт перемещения дозаторного электромагнитного клапана, который управляется электронным блоком управления (ЭБУ).

Одним из недостатков золотникового метода дозирования является то, что в моменты перекрытия и открытия проходных сечений соответствующих каналов в начале и в конце впрыска соответственно, имеются продолжительные периоды дросселирования топлива в малых проходных сечениях, в результате чего в эти моменты процесс впрыска топлива происходит при малых давлениях впрыска. Предлагаемый же метод дозирования исключает это явление в начальный период впрыска, тем самым способствуя повышению давления в начальный период впрыска. Кроме того, в результате отмеченного явления, также можно ожидать повышения равномерности распределения цикловой дозы топлива по отдельным секциям насоса.

Предлагаемый метод дозирования и управления цикловой подачей должен обеспечить эффективность дозирования подачи на всех оборотах работы дизеля, особенно на низких и на больших нагрузочных режимах.

Предмет и методы исследования. Исследования методом вычислительного эксперимента на математической модели проводились с системой подачи топлива с распределительным насосом с новой системой дозирования, позволяющей улучшить характеристики системы дозирования и управления цикловой подачей дизеля [1, 4, 5, 6]. Сравнительные диаграммы экспериментального исследования указанной системы топливоподачи приводится на нижеследующих рисунках.

Нами проведено расчетное исследование системы топливоподачи с предлагаемой системой дозирования с использованием усовершенствованной проверенной на адекватность математической модели, в которой учитывается двухфазность газожидкостной среды [2, 3]. Уравнения потока математической модели решены методом "распада разрыва" академика С.К.Годунова [9].

Адекватность использованной математической модели процесса топливоподачи была исследована и подтверждена в работе [3]. В ней для описания неустановившегося потока топлива в трубопроводе высокого давления используется система дифференциальных уравнений сплошности и количества движения:

,                                                     (1)

,                                   (2)

где:  ‒ плотность двухфазной газожидкостной среды, – скорость потока в трубопроводе высокого давления; x – координата по длине трубопровода;  – время; Р ‒ давление двухфазной газожидкостной среды, ,  – соответственно, коэффициент гидравлического сопротивления и внутренний диаметр трубопровода.

Для определения давления двухфазной газожидкостной среды было использовано выражение:

,                                                      (3)

где  c – скорость распространения волны давления, которая принимается равной скорости звука в среде.

В математической модели были также использованы уравнения массового баланса для различных полостей исследуемой топливовпрыскивающей системы, в том числе для надплунжерной, клапанной полости насоса и для полости форсунки (рис.1).

Для надплунжерной полости насоса уравнение массового баланса среды имеет вид:

,                               (4)

где:  – масса жидкой или двухфазной среды в надплунжерной полости насоса;  и  – соответственно, эффективные проходные сечения наполнительных и отсечных окон втулки плунжера и нагнетательного клапана;  и  – соответственно, скорости истечения среды через наполнительные и отсечные окна втулки плунжера и нагнетательного клапана; ,  и  – плотность среды, которая находится во всасывающей полости насоса (в системе низкого давления), над плунжером и над нагнетательным клапаном, соответственно (двойные индексы “H(вс)” и “H(k)” означают полости выхода среды в зависимости от направления истечения во время расчёта скоростей  и , соответственно).

Рисунок 1. Расчётная схема топливовпрыскивающей системы:

1-нагнетающий плунжер; 2-дозируюущий плунжер; 3-ограничитель; 4-распределительный канал; 5-обратный клапан; 6-плоский нагнетающий клапан двухстороннего действия; 7-трубопровод высокого давления; 8-игольчатый клапан форсунки.

Для подклапанной полости насоса уравнение массового баланса среды имеет вид:

,                                 (5)

где:  – масса жидкой или двухфазной среды в подклапанной полости насоса.

Для надклапанной полости насоса уравнение массового баланса среды имеет вид:

,                                 (6)

здесь:  – масса жидкой или двухфазной среды в надклапанной полости насоса,  – эффективное проходное сечение объёма над нагнетательным клапана насоса;  – плотность среды в объёме над нагнетательным клапаном насоса.

Для форсунки уравнение массового баланса среды имеет вид:

,                                     (7)

здесь:  – масса жидкой или двухфазной среды в полости форсунки;  ‒ плотность топлива в трубопроводе высокого давления;  – площадь поперечного сечения трубопровода высокого давления;  ‒ скорость топлива в трубопроводе высокого давления;  – коэффициент расхода распылителя форсунки;  – площадь сечения отверстий распылителя форсунки;  – плотность топлива в объёме форсунки;  – давление в объёме форсунки;  – давление газов в цилиндре.

Результаты исследования. В Азербайджанском Техническом Университете проведены расчетные и экспериментальные исследования работы системы топливоподачи с новой системой дозирования в распределительном насосе высокого давления НД-21/4.

Рисунок 2. Расчетные зависимости цикловой подачи насоса от хода дозирующего плунжера при разных частотах вращения кулачкового вала топливного насоса:

1-мин.^-1; 2-мин.^-1; 3-мин.^-1; 4-мин.^-1; 5-мин.^-1;6-мин.^-1; 7-мин.^-1.

На рис.2 приведен расчётный график зависимости цикловой подачи топлива от хода дозирующего плунжера при различных частотах вращения кулачкового вала насоса. Расчетные кривые более пологие при ходе дозирующего плунжера мм. Цикловая подача, при этом устанавливается на уровне  при частоте вращения вала насоса  мин^-1.

На рис.3 приведен график экспериментального исследования влияния перемещения дозирующего плунжера на цикловую подачу топлива при различных оборотах насоса.

Рисунок 3. Экспериментальные зависимости цикловой подачи топлива от хода дозирующего плунжера на разных оборотах насоса:

1-мин.^-1; 2-мин.^-1; 3-мин.^-1; 4-мин.^-1; 5-мин.^-1; 6-мин.^-1; 7-мин.^-1.

Как видно, изменения цикловой подачи топлива происходит пропорционально ходу дозирующего плунжера, который упирается в ограничитель. На средних и на высоких оборотах кулачкового вала насоса цикловая подача топлива стабильна по ходу мм дозирующего плунжера.

В интервале 600÷950 мин^-1 оборотов кулачкового вала при ходе дозирующего плунжера до мм с изменением объёма над нагнетательным плунжером цикловая подача изменяется более гладко по сравнению с мм, т.е. со стандартным надплунжерным объёмом. Это объясняется тем, что с мм с изменением скорости топлива в трубопроводе высокого давления в определённых оборотах кулачкового вала,  противофазность повышение давления в объёмах над нагнетательным плунжером и форсунки уменьшается чем  с мм (Таблица 1).

      Таблица 1.

Значения

На рис.4 приведен расчётный, на рис.5 приведен экспериментальные графики зависимости цикловой подачи топлива от оборотов кулачкового вала насоса при ходах дозирующего плунжера мм. Расчетные кривые здесь сходятся с экспериментальными на средних оборотах насоса. Показатели на максимальных оборотах, которые отличаются от экспериментальных, пренебрегается началом действия центробежного всережимного регулятора.

Рисунок 4. Расчетные зависимости цикловой подачи топлива от оборотов кулачкового вала насоса на разных ходах дозирующего плунжера:

1-; 2-мм; 3-мм; 4-мм; 5-мм.

Рисунок 5. Экспериментальные зависимости цикловой подачи насоса от оборотов дизеля на разных ходах дозирующего плунжера:

1-; 2-мм; 3-мм; 4-мм; 5-мм; 6-мм

Видно, что цикловая подача насоса стабильно уменьшается от  при  до  при мм. С повышением оборотов кулачкового вала насоса цикловая подача топлива становится более стабильной и темп изменения подачи более гладкая в зависимости от оборотов (Таблица 2).

Таблица 2

Значения

Заключение. Расчетные и экспериментальные исследования системы впрыска с новой системой дозирования и управления цикловой подачей топлива, показали адекватность результатов расчетов с экспериментальными показателями в распределительном топливном насосе дизеля, а также эффективность и приемлемость его характеристик для использования в дизельных двигателях.