Совершенствование показателей дизелей грузовых автомобилей выбором камеры сгорания и оптимизацией топливной аппаратуры

Актуальность работы. По оценкам большинства экспертов в период до 2020: г. поршневые двигатели будут доминировать в качестве энергетических установок для автомобильного транспорта. Так, прогнозируется, что для 2015;2020 гг. количество таких автомобилей, включая гибридные автомобили, составит 92% от общего числа. Однако, из-за значительного роста транспортной активности в последнее время крайне остро встаёт проблема, связанная с негативнымвоздействием автомобильного транспорта на окружающую среду. Основной вред наносится выбросом в атмосферу токсичных и канцерогенных веществ с отработавшими газами (ОГ). Кроме этого, ряд учёных связывают глобальное потепление климата с выбросом в атмосферу углекислого газа С02 от сгорания ископаемых топлив. Дизели современной конструкции выбрасывают в атмосферу минимальное количество СО, СН и С02, но при этом из-за особенностей процесса сгорания выделяют больше твёрдых частиц, которые практически отсутствуют в выбросах двигателей с искровым зажиганием, в частности, питаемых бензином. Количество оксидов азота ЫОх, образующихся при сгорании в дизеле, так же, как правило, превышает количество МОх, образующихся в бензиновом двигателе. Разработка и массовое применение на бензиновых двигателях легковых автомобилей систем распределённого впрыскивания топлива с трёхкомпонентным нейтрализатором и системой микропроцессорного управления обеспечило радикальноеснижение вредных выбросов двигателями этих автомобилей. Это привело к тому, что, начиная с 1994;1995 гг., вредные выбросы дизелями превысили вредные выбросы бензиновыми двигателями. Поэтому проблема снижения вредных выбросов дизелями стала предельно актуальной.

Последовательная реализация ряда весомых мероприятий, в том числе, разработка новых типов электронных топливных систем (ТС), позволила зарубежным компаниям наладить выпуск автомобильных дизелей, отвечающих постоянно ужесточающимся нормам по выбросам вредных веществ без увеличения расхода топлива. В то же время путь, избранный отечественными производителями, заключается в приспособлении базовых конструкций, разработанных ещё в 60−70-х годах XX столетия, к современным условиям путём их модернизации. Такой путь позволяет максимально сократить затраты при неизбежном в таком случае отставании в техническом уровне выпускаемой продукции. Решение проблемы нам видится в разработке и использовании в отечественных дизелях более прогрессивного рабочего процесса (РП) с неразделённой камерой сгорания и объёмным смесеобразованием, максимально удовлетворяющего современным экологическим требованиям и степени форсирования наддувом.

Цель работы — улучшение экологических показателей автомобильных дизелей выбором рациональной формы камеры сгорания и оптимизацией топливной аппаратуры непосредственного действияанализ и совершенствование аккумуляторной топливной системы с электроуправляемыми гидроприводными насос-форсунками (АС с ЭГНФ) предварительного и прямого дозирования для дальнейшего улучшения показателей.

Методы исследования. В работе использовались методы расчётного и экспериментального исследования, сочетавшиеся друг с другом для повышения достоверности получаемых результатов. Экспериментальные работы по изучению РП проводились на стенде с отсеком одноцилиндрового дизеля размерности 12/13, на котором имитировались условия работы полноразмерного дизеля КамАЗ с газо1 турбинным наддувом. Путём математического моделирования на компьютере определялись предельно достижимые показатели цикла 4-тактного дизеля, показатели распыливания топлива, развития топливных струй и интенсивности осевого вихря в камере сгорания.

Расчётно-теоретическое исследование и оптимизация АС с ЭГНФ проведено с использованием методик и программ-гидродинамического расчёта, разработанных в МАДИ на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели» и в Проблемной лаборатории транспортных двигателей (ПЛТД) и дополненных в ходе выполнения работы. Испытания макетных образцов АС с ЭГНФ выполнялись на стенде с приводным электродвигателем.

Научная новизна работы заключается в обосновании целесообразности использования в отечественных дизелях грузовых автомобилей осесимметричного РП с широкой камерой сгорания, низкой интенсивностью вихревого движения заряда, 4-клапанным газораспределением, высоким давлением впрыскивания и большим числом сопловых отверстий малого диаметра. Показана важность согласования характеристик развития топливных струй при поздних углах опережения впрыскивания (УОВ), устанавливаемых с целью уменьшения выбросов оксидов азота, с необходимостью использования воздуха в, надпоршневом зазоре. В этом плане работа является логическим продолжением деятельности Особого конструкторского бюро (ОКБ) Н. Р. Брилинга на современном этапе, когда проблема защиты окружающей среды приобрела особую важность и самое широкое распространение получил наддув дизелей.

Для АС с ЭГНФ предварительного и прямого дозирования обоснованы пути и способы, позволяющие увеличить давление впрыскивания до 200 МПа и выше и эффективно управлять характеристикой впрыскивания.

Практическая ценность. Предложенный подход к организации РП, проверенный в ходе стендовых испытаний на одноцилиндровом отсеке, может быть использован при создании новых моделей отечественных дизелей семейств КамАЗ и ЯМЗ. Применительно к перепек.

5 тивной аккумуляторной топливной системе с ЭГНФ предварительного и прямого дозирования разработаны дополненные версии программ гидродинамического расчёта, которые могут быть применены, для ре шения проектировочных и оптимизационных задач. В ходе испытаний на безмоторном стенде выявлены определённые недостатки ранее спроектированных и изготовленных образцов ЭГНФ предварительного дозирования, разработанных совместно с ЯЗТА, и намечены способы их устранения. На базе конструкции ЦНИТА разработан улучшенный макетный образец ЭГНФ прямого дозирования.

Реализация работы. Результаты исследований, методика и программа расчета АС с ЭГНФ используются в учебном процессе кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ и переданы в ОГК ЗАО АЗПИ для разработки опытных образцов АС с ЭГНФ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования форсированной ТС непосредственного действия с ТНВД.

2. Результаты опытов на одноцилиндровом отсеке дизеля по исследованию влияния на РП параметров распылителей и УОВ при различных частотах вращения и нагрузках.

3. Результаты прогнозирования показателей полноразмерного дизеля 8ЧН 12/13 при обеспечении заданных норм по выбросам вредных веществ путём изменения УОВ.

4. Расчётно-экспериментальное обоснование необходимости управления давлением впрыскивания при изменении режима, работы и УОВ для обеспечения оптимальных показателей качества.

5. Расчётный анализ, различных способов обеспечения давления впрыскивания 200 МПа и более на примере АС с ЭГНФ предварительного дозирования.

6. Расчётный анализ различных схем ЭГНФ прямого дозирования.

7. Способ управления характеристикой впрыскивания для АС с ЭГНФ. и.

Личный вклад автора.

• Анализ современных тенденций развития автомобильных дизелей и ТС и постановка задач исследований.

• Проведение моторных и безмоторных испытаний, обработка и анализ результатов.

• Дополнение метода и программы гидродинамического расчёта АС с ЭГНФ предварительного дозирования и создание на её базе программы для расчёта АС с ЭГНФ прямого дозирования.

• Теоретическое обоснование схемы и комплектации АС с ЭГНФ для управления характеристикой впрыскивания и обеспечения давления впрыскивания 200 МПа и выше.

• Сравнительный анализ различных схем АС с ЭГНФ прямого дозирования, выбор рациональной схемы и конструкторская проработка макетного образца.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов на международном научном симпозиуме, посвящённом 135-летию МГТУ МАМИ в 2000 г.- 42 и 50-й конференциях Ассоциации Автомобильных Инженеров «Автомобиль и окружающая среда» в НИЦИАМТ, 2003 и 2005 гг.- научно-технической конференции «4-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» в МАДИ (ГТУ), 2009 г. и получили положительные оценки.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ, из них 1 — в рецензируемых журналах ВАК, 2 — в виде докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, библиографического списка и приложения. Работа содержит 179 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 4 фотографии и 6 таблиц. Библиография включает 75 наименований, в том числе 16 на иностранных языках.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Исследования на одноцилиндровом отсеке экспериментального дизеля размерности 12/13 с камерой сгорания типа Гессельмана, 4-кпапанным газораспределением и форсированной ТС непосредственного действия с ТНВД позволили установить.

• С распылителями, имеющими проходное сечение? jfp=0,17.0,18 мм², появление дополнительных впрыскиваний является основным фактором, ограничивающим максимальное давление впрыскивания. С исследованными нагнетательными клапанами достигнут уровень Рфтах=^25 МПа, при котором «подвпрыскивания» топлива полностью отсутствуют.

• Для оптимальных по экономичности значений УОВ наилучшие показатели дизеля получаются в том случае, когда расчётное продвижение вершин топливных струй за время впрыскивания соответствует расстоянию до стенки камеры сгорания. Установка поздних УОВ для снижения выбросов NOx приводит к увеличению роли надпоршневого зазора, что требует увеличения первоначально подобранной дальнобойности топливных струй для эффективного использования воздушного заряда.

• Выбранная ТС непосредственного действия не обеспечивает оптимального продвижения топливных струй во всём поле режимов, что вынуждает искать приемлемый компромисс путём подбора параметров распылителейнаилучшим решением из исследованных является распылитель 6×0,24 мм.

• На режиме максимального крутящего момента обеспечивается заметное снижение содержания NOx и сажи (до 50%) в ОГ по сравнению с полученными ранее значениями при использовании камеры сгорания типа КамАЗ, 2-клапанного газораспределения и оптимизированного давления впрыскивания, что доказывает преимущество предлагаемого рабочего процесса и свидетельствует о перспективности дальнейших разработок, в частности, путём перенесения исследований-на полноразмерный дизель.

2. Обобщение результатов моторных испытаний! расчётом сред-нецикловых удельных выбросов. оксидов азота £КОх и среднециклового удельного расхода топлива £е и приведение их к показателям полноразмерного дизеля 8ЧН 12/13 показали, что только за счёт выбора УОВ дизель может обеспечить экологические показатели не выше уровня ЕиГЧОЗ (по М) х). При этом достигаются весьма умеренные значения рг= 10,2 МПа и (фМ<�р)тах=0,50 МПа/° ПКВ, но £е увеличивается на 5.6% по сравнению с выбором оптимальных по расходу топлива регулировок.

3. В результате расчётов циклов установлено, что сохранение неизменной длительности тепловыделения позволяет более чем в два раза сократить рост ge по мере запаздывания начала впрыскивания, что, очевидно, требует применения топливной системы с увеличенной энергией впрыскивания, в частности АС с ЭГНФ.

4. Для достижения в случае АС с ЭГНФ давлений впрыскивания 200 МПа целесообразно применять умеренные значения коэффициента мультипликации (не более 6) при соответствующем увеличении давления в аккумуляторе (35 МПа и выше).

5. Причиной низкой надёжности испытанного образца АС с ЭГНФ предварительного дозирования является гидромеханическая эрозия опорного торца из-за отсутствия демпфирования мультипликаторав нижнем положении и принятая схема гидрозапирания распылителя, приводящая к возникновению эффекта^ «щелевого фильтра» и быстрой потере подвижностииглы. Предложенные способы решения проблемы могут быть использованы на практике.

6. С использованием расчётного анализа разработана конструктивная схема ЭГНФ прямого дозирования, обеспечивающая достижение показателей, сравнимых с показателями ранее разработанных образцов ЭГНФ предварительного дозирования.

7. Предложенный в работе способ управления характеристикой впрыскивания, заключающийся в использовании вспомогательного клапана управления иглой распылителя, применим для ЭГНФ предварительного и прямого дозирования. Выполненные расчёты показали пригодность способа как для предварительного впрыскивания топлива с объёмом до 1,5 мм³, так и для формирования ступенчатой характеристики впрыскивания.

4 С 6.

4.6.

Заключение

и выводы по главе.

С помощью программы гидродинамического расчёта АС с ЭГНФ предварительного дозирования исследованы возможности достижения давлений впрыскивания 200 МПа и выше. В исходный метод и программу внесён ряд изменений и дополнений, касающихся, в основном, повышения точности описания проточной части КГУ и задания исходных данных. Разработан вариант программы для расчёта АС с ЭГНФ прямого дозирования, что позволило максимально корректно сравнить ЭГНФ двух типов. Для представления и анализа результатов расчётов разработана графическая программа-оболочка с набором инструментальных средств. По результатам расчётов и экспериментов разработана рациональная схема и конструкция ЭГНФ прямого дозирования, адаптированная для применения в дизелях КамАЗ. Предложен способ управления характеристикой впрыскивания. С помощью дополненного метода и программы расчёта разработана структурная схема ЭГНФ следующего поколения с двумя ЭМ клапанами и выполнен её параметрический анализ.

В результате проведения опытов на безмоторном стенде установлено, что ранее изготовленные образцы ЭГНФ предварительного дозирования, частично модернизированные в ходе работы, имеет низкую наработку на отказ. Установлена причина, быстрого отказа^ГНФ и! предложен способ её устранения. На ряде режимов работы определены характеристики впрыскивания ЭГНФ прямого дозирования разработки ЦНИТА. Проанализированы причины отличий экспериментальных характеристик впрыскивания от расчётных.

1. Расчётное исследование модернизированного образца ЭГНФ предварительного дозирования подтвердило возможность достижения давлений впрыскивания 200 МПа и более с распылителем /?^=0,13 мм² при благоприятной форме характеристик впрыскивания.

2. С ростом коэффициентамультипликации Мг в диапазоне от 5,44 до 9 из-за увеличения потерь давления в проходном сечении управляющего клапана темп увеличения максимального давления' впрыскивания монотонно уменьшается, а длительность управляющего импульса линейно возрастает. Это вынуждает ограничить коэффициент мультипликации на уровне Мг<6 и добиваться требуемых давлений впрыскивания за счёт увеличения давления в аккумуляторе.

3. Причиной быстрого отказа ранее изготовленных макетных образцов ЭГНФ предварительного дозирования является гидромеханическая эрозия нижнего опорного торца мультипликатора: Образующаяся микростружка, накапливаясь в зазоре пары распылителя, вызывает прогрессирующее ухудшение подвижности1 иглы. Для надёжного устранения дефекта требуется демпфирование мультипликатора в крайнем нижнем положении, например, за счёт установки жиклёра в дренажном-канале с нанесением* сетки-дренажных канавок на’контактирующем торце, а также введение дополнительного плунжера гидрозапирания для устранения эффекта."щелевого фильтра".

4. Сравнение ЭГНФ двух типов по единообразной методике показало, что при прямом дозировании возможно обеспечить практически такие же показатели впрыскивания {тпт, р’фср и р’фкак и в случае предварительного дозирования.

5. Предложенная схема ЭГНФ прямого дозирования имеет мультипликатор гидрозапирания распылителя и клапанное наполнение камеры плунжера, которое более экономично по сравнению со схемой с наполнительным окном.

6. Разработанный способ управления характеристикой впрыскивания, заключающийся в использовании ЭМ клапана управления иглой распылителя, пригоден как для ЭГНФ предварительного, так и прямого дозирования. С помощью данного способа возможна не только реализация предварительного впрыскивания с малым объёмом, но и формирование ступенчатых характеристик впрыскивания. В последнем случае <тг может быть уменьшена на 41,5% по сравнению с исходной характеристикой впрыскивания.