Исследование и разработка электрогидравлической форсунки системы топливоподачи авиационного поршневого двигателя

Основу двигательных установок современных летательных аппаратов составляют мощные газотурбинные двигатели. Они значительно выигрывают у поршневых моторов по удельным показателям: мощности и удельной массе. Во второй половине 20 века газотурбинные установки получили активное развитие. Это было связано с наращиванием в мире военного потенциала после Второй мировой войны, возрастанием объема грузопассажирских перевозок и значительному увеличение их дальности [1]. В этот период распространенность авиационных поршневых двигателей существенно снижается.

В настоящее время значительно возрастает роль легких летательных аппаратов малой грузоподъемности. Это связано с рядом причин. Стремление, оптимизировать и увеличить скорость грузопассажирских потоков, повысить степень коммуникабельности бизнеса приводит к развитию малой авиации. Развитие стратегий бесконтактных войн, повышение безопасности научных исследований обуславливает интерес к БПЛА' [2, 3]. Требования к энергоустановкам легких, летательных аппаратов,' по. сравнению с тяжелыми, имеют значительные отличия. Прежде всегоэто высокаятопливная экономичность, низкая удельная масса, малые габариты, высокий ресурс, а также низкие выбросы вредных веществ с отработавшими газами и низкий уровень шума.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания имеют ряд преимуществ перед газотурбинными в диапазоне мощности до 300 кВт. Наибольшее развитие здесь получили двигатели' с искровым зажиганием и высоким давлением наддува для спортивных самолетов и легких вертолетов. Эти двигатели оснащены карбюраторными системами топливоподачи, обеспечивающими внешнее смесеобразование. Требования по обеспечению высокой дальности полета (БПЛА) и низкому удельному эффективному расходу топлива привели к использованию в авиации дизельных двигателей. Дизели имеют наименьший расход топлива среди поршневых двигателей и повышенный ресурс, но проигрывают двигателям с искровым зажиганиям по удельным массогабаритным характеристикам. Дизели оснащаются в основном топливными насосами распределительного типа и имеют предкамерное смесеобразование [4].

В настоящее время проведенные исследования на транспортных двигателях внутреннего сгорания доказали, что процесс непосредственного впрыскивания топлива и объемное смесеобразования позволяют получить минимальный удельный эффективный расход топлива и повысить удельную мощность. Кроме того, управление подачей топлива при непосредственном впрыскивании позволяет значительно улучшить смесеобразование и, тем самым, положительно влиять на выбросы вредных веществ с отработавшими газами и уровень шума [5, 6].

Системы непосредственного впрыскивания успешно применяются в транспортных дизелях и поршневых двигателях с искровым зажиганием. Ведущие мировые производители уделяют большое внимание решениям, по компоновке АПД, схеме кривошипно-шатунного механизма, позволяющим в ряде случаев. значительно повысить удельную*мощность и снизить габаритные размеры. Проблема адаптации систем топливоподачи современных транспортных двигателей не имеет пока такой актуальности. Применение этих решений' позволило бы без изменения конструкции двигателя значительно улучшить его показатели.

Топливные системьъ транспортных ДВС также имеют ряд проблем. Это нестабйльность впрыскиванияв различных режимах работы двигателя, понижение качества распыливания в переходных режимах работы «двигателя, неполное сгорания топливного заряда, высокие выбросы вредных веществ [7].

Решение проблемы адаптации систем к АПД и избежание существующих проблем транспортных двигателей возможно при совершенствовании процесса распыливания топлива. Организация подачи топлива в цилиндры двигатели оказывает основное влияние на процессы смесеобразования и последующее г сгорание и является эффективным инструментом для формирования требуемых показателей поршневых двигателей.

Выполнение требований к ДВС с помощью увеличения давления впрыскивания, подбора размера сопловых отверстий, параметров газовой среды не дает существенного изменения удельного эффективного расхода топлива и выбросов вредных веществ. Повышение топливной экономичности, снижение способности топливо-воздушной смеси к детонации требует рациональной организации взаимодействия топливной и воздушной фаз для1 снижения вероятности образования температурно-концентрационных зон и последующего выделения вредных веществ или неравномерного горения.

Существенно уменьшить неоднородность распределения топлива по окислителю (воздуху) можно с помощью разрушения переобогащенных топливом зон за счет дополнительно диспергирования топливной смеси специальными распылителями.

Достижение высокой производительности соплового аппарата^ форсунок топливных систем возможно за счет введения, импульсного воздействия на запорный элемент распылителя, тем самым, снижения продолжительности впрыскивания.

Цель работы: Исследование и разработка электрогидравлической форсунки системы топливоподачи поршневого двигателя, обеспечивающей требуемые параметры качества распыла за счет регулирования геометрических параметров проточной части.

Задачи работы: Для достижения поставленной' цели необходимо обеспечить решение следующих задач:

1. Провести анализ конструктивных схем систем топливоподачи и узлов распыливания современных поршневых двигателей.

2. Разработать модель распылителя и конструкцию электрогидравлической форсунки.

3. Разработать систему топливоподачи ПД, реализующую предложенный метод дозирования топлива.

4. Исследовать параметры распыливания расчетно-аналитическим методом, установить влияние геометрии запорного элемента на характер истечения топлива.

5. Провести стендовые испытания распылителей форсунок поршневых двигателей, для оценки эффективности предложенных мероприятий по модернизации СТП.

6. Исследовать экономичность дизелей при моторных испытаний системы топливоподачи с штифтовыми распылителями.

7. Разработать рекомендации по подбору параметров штифтовых распылителей с целью применения их на АПД.

Методы исследования. Поставленные задачи решаются путем проведения теоретических и экспериментальных исследований, базирующихся на положениях теории поршневых двигателей и расчетно-аналитических исследований с использованием современных программных продуктов.

Работа выполнена на кафедре «Авиационных двигателей» в Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева под руководством кандидата технических наук Жукова Владимира Анатольевича.

Выводы по главе.

1. Предложеннаяконструкция распылителя создает широкие возможности для его адаптации к различным типам камер сгорания ПД, работающих на жидких углеводородных топливах за счет гибкого регулирования параметров впрыска и изменения профиля канала.

2. Конструкция штифтового распылителя, значительно упрощает технологию изготовления элементов форсунки, т.к. не требует обработки прецизионных сопловых отверстий малого диаметра и состоит из тел вращения.

3. Отсутствие в сопловом аппарате отверстий малого диаметра позволяет избежать закоксовования распылителя в процессе работы. Открытие распылителя по направлению движения топлива при впрыске также способствует очистке распылителя от нагара.

4. Применение модернизированной форсунки возможно в большинстве эксплуатируемых на современных ПД конструкциях СТП. Нецелесообразным признано применение конструкции форсунки лишь в системах с насос-форсунками, т.к. это потребует полной переработки СТП. Аккумуляторные системы топливоподачи потребует наименьших изменений для применения опытной форсунки.

5. Разработана СТП с использованием модернизированных форсунок, обладающая рядом преимуществ по сравнению с распространенными СТП: максимальная приближенность исполнительных элементов, осуществляющих процесс создания давления, дозирования, впрыскивания и распыливания топлива, непосредственно к сопловому каналу.

— возможность регулирования производительности насоса высокого давления от нуля до максимального значения за 1 оборот коленчатого вала двигателя, сто снижает затраты энергии на привод насоса и исключает из системы переливные устройства.

6. Проведен расчет геометрических параметров опытного распылителя для авиационного дизеля Aireo 3200, показавший, что применение разработанных форсунок не ведет за собой увеличение габаритов конструкции, а значит позволяет переоборудовать существующие системы без изменения базовых деталей двигателей.

Заключение

.

На легких летательных аппаратах целесообразно применение поршневых двигателей, т.к. они имеют преимущества по удельному расходу топлива и стоимости по сравнению с газотурбинными.

На основании анализа требований, предъявляемых к современным и перспективным авиационным ДВС и конструкций существующих систем топливоподачи установлено, что модернизация узла распыливания является перспективным направлением совершенствования топливоподачи дизелей.

Особенности конструкции штифтовых распылителей позволяет реализовать регулирование топливоподачи за счет изменения площади проходного сечения распылителя, используя при этом импульсное воздействие на запорный орган распылителя.,.

Расчетно-аналитическое исследование процессов истечения топлива позволило* выбрать предпочтительную форму запорного конуса, распылителя, определить скорости истечения топлива, форму топливной струи и рассчитать объемный диаметр капель распыленного топлива, который составил 11 — 25 мкм, что не уступает дисперсности распыливания существующими форсунками.

Получена зависимость, позволяющая определять геометрические характеристики распылителя в зависимости от мощности двигателя и частоты вращения коленчатого вала:

Изготовлены опытные образцы модернизированных форсунок, лабораторные исследования которых подтвердили результаты численного моделирования истечения топлива.

Предложена схема системы топливоподачи, в которой реализуется управление цикловой подачей топлива за счет изменения хода иглы распылителя штифтового типа.

Изготовлены опытные образцы элементов модернизированной системы топливоподачи. Проведены моторные испытания системы на двигателе 44 7,6/8,4, которые показали: совершенствование распыливания топлива за счет модернизации распылителя штифтовой форсунки снижает удельный эффективный расход топлива на 2,5−4%.

— повышение дисперсности распыливания и изменение закона топливоподачи приводят к снижению содержания в отработавших газах твердых частиц.

— получение более существенного уменьшение расхода топлива и дымности отработавших газов возможно при более тонкой настройке топливной аппаратуры: подбора алгоритма управления электромагнитом в зависимости от цикловой подачи дизеля, подбора геометрических параметров распылителя, размера внутренней полости форсунки и т. д.

9. Даны рекомендации по возможному использованию модернизированной системы топливоподачи на существующих и перспективных ДВС. Таким образом, поставленные цели и задачи выполнены. Работа закончена.

Дальнейшие исследования по этой проблеме, на взгляд авторов, должны быть посвящены подбору профиля распыливающего канала, а также разработке алгоритмов работы электронных блоков управления двигателями, реализующих эффективное управление штифтовым распылителем с изменяемой геометрией проточной части.