Диссертационная работа:

Емельянов Леонид Александрович. Развитие комплекса математических моделей дизеля, оснащенного аккумуляторной топливной системой с электронным управлением : дис. ... канд. техн. наук : 05.04.02 Москва, 2007 182 с. РГБ ОД, 61:07-5/1975

Введение 6

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования ц

1. Пути совершенствования рабочего процесса современных дизелей, направленные на снижение токсичности ОГ И

2. Влияние характеристики впрыскивания на экологические показатели двигателя 17

1.2.1. Характеристики впрысков АТС, используемые
производителями ТПАв настоящее время 17

2. Влияние предварительных впрысков на экологические показатели двигателя 20

3. Влияние послевпрыска на экологические показатели двигателя 24

1.3. Анализ конструкций АТС с ЭГФ 24

1.3.1. Требования, предъявляемые к аккумулятору топлива в
составе АТС 26

4. Анализ конструкций ЭГФ 27

5. Алгоритмы систем управления АТС с ЭГФ 37

1.4. Методы математического моделирования рабочих процессов
автотракторных дизелей 39

1. Методы расчета впрыскивания и распыливания топлива.... 39

2. Методы расчета процессов испарения, тепловыделения, образования токсичных веществ и шумообразования 46

1.4.3. Методы расчета показателей рабочего процесса цикла
дизеля 56

Выводы по главе 1 и постановка задачи 58

Глава 2. Математическое моделирование рабочих процессов

быстроходного четырехтактного дизеля 60

2.1. Математические модели рабочих процессов быстроходного
дизеля, реализованные в едином расчетном комплексе 60

3. Метод гидродинамического расчета ТС дизеля и методы расчета распыливания топлива и развития топливных струй 61

4. Расчет испарения и выгорания распыленного топлива 55

2.1.3. Методы расчета содержания в ОГ дизеля углерода и
окислов азота 71

4. Метод расчета показателей рабочего цикла дизеля 73

5. Метод расчета шума от рабочего процесса дизеля 75

2. Сопоставление результатов опыта и расчета 78

3. Расчетное исследование влияния величины подачи топлива при предварительном впрыскивании и интервала времени между предварительным и основным впрыскиванием на содержание сажи

и окислов азота в ОГ дизеля и шум от рабочего процесса 83

Выводы по главе 2 87

Глава 3.Расчетное исследование АТС с ЭГФ g9

1. Метод и программа гидродинамического расчета АТС с ЭГФ типа Bosch 89

2. Результаты расчетного исследования АТС с ЭГФ типа Bosch.... 95

3.2.1. Результаты расчетного исследования влияния
эффективного проходного сечения жиклера на неуправляемость

процесса топливоподачи и количество топлива расходуемого

на управление 95

2. Результаты расчетного исследования влияния параметров поршня ЭГФ типа Bosch на характер его движения у упора 99

3. Исследование некоторых показателей, характеризующих возможность получения малых предвпрысков 102

3.2.4. Исследование причин, вызывающих явление
неуправляемости в ЭГФ 104

Выводы по главе 3 ] ] 4

Глава 4. Разработка алгоритмов и систем управления.
Экспериментальное исследование АТС 116

4.1. Система управления ЭГФ и регистрации сигналов j j 7

4.2.0пределение характеристик подачи и слива юплива

электрогидравлической форсункой 127

1. Установка для определения характеристик подачи топлива электрогидравлической форсункой 127

2. Результаты испытаний по определению характеристики подачи топлива электрогидравлической форсункой 130

4.3. Определение параметров предварительных впрысков ]зз

4.3.1. Установка для регистрации параметров предварительных
впрысков 133

4.3.2. Результаты испытаний на установке для регистрации
параметров предварительных впрысков 137

4.3.3. Определение времени запаздывания электронной
топливной системы 140

4. Система управления ЭГФ для моторных испытаний J43

5. Фоторегистрация параметров струй топлива 152

1. Усіановка для фоторегистрации параметров струй топлива J52

2. Результаты фоторегистрации параметров струй топлива.... j57

4.6. Оценка погрешностей при проведении исследований на

безмоторной установке 160

Выводы по главе 4 j 52

Выводы ^54

Литература j 57

5 Основные принятые сокращения

АТС - аккумуляторная топливная система;

АЦК - аналого-цифровой канал;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

БСК - блок силовых ключей;

БЭУ - блок электронного управления;

КС - камера сгорания;

МПСУ - микропроцессорная система управления;

ОГ - отработавшие газы;

РЭ - регулирующий элемент, являющийся частью поршня ЭГФ конструкции

Bosch;

ТА - топливная аппаратура;

ТНВД - топливный насос высокого давления;

ТП - топливоподача;

ТПА - топливоподающая аппаратура;

ТС - топливная система;

ЭГФ - электрогидравлическая форсунка;

ЭМ - электромагнит;

CR - топливная система Common Rail;

Актуальность работы. Постоянное ужесточение нормативов, ограничивающих вредное воздействие двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на окружающую среду, в частности планируемое введение в Российской федерации норм токсичности EURO-3, EURO-4, а затем и EURO-5, заставляет конструкторов искать пути решения проблемы снижения токсичности и шумообразования автомобильных дизелей.

Для достижения высоких экологических и экономических показателей дизеля необходимо обеспечить высокое качество управления топливоподачей во всем диапазоне рабочих режимов дизеля. Нужно учитывать все большее число факторов, влияющих на работу дизеля, и иметь возможность управлять процессами топливоподачи (ТП) по более сложным законам. Возможности управления процессами ТП значительно расширяются при применении электронных средств контроля и управления и использовании топливной системы (ТС), обеспечивающих независимые от режима работы двигателя характеристики впрыскивания и распыливания топлива. Одной из таких систем является аккумуляторная топливная система с электрогидравлическими форсунками (АТС с ЭГФ), обладающая компактностью и удобством расположения компонентов на двигателе. Изучение и совершенствование данной системы является актуальной задачей и практически невозможно без использования математических моделей рабочих процессов топливной аппаратуры (ТА) и дизеля, реализованных на ЭВМ.

Цель работы. Дополнение комплекса математических моделей и программ, описьшающих и обслуживающих работу дизеля с аккумуляторной топливной системой типа Common Rail.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились по методам и программам, как созданным ранее в Проблемной лаборатории транспортных двигателей (ПЛТД) МАДИ (ГТУ), так и разработанным автором с использованием современной вычислительной техники. Экспериментальные исследования макетного образца проводились на безмоторном стенде HARTRIDGE 1100. Для регистрации быстропеременных процессов в электронной системе управления и макетном образце АТС применялись

датчики давления пьезоэлектрического типа, платы аналого-цифрового преобразователя ЛА-2МЗ, ЛА-2М5, а также цифрового ввода/вывода ЛА-2ЦАП15 производства ЗАО «Руднев&Шиляев», сопряженные с персональным компьютером типа IBM PC, осциллограф. Для фоторегистрации движения струй распыленного топлива в систему управления встраивались цифровой фотоаппарат OLYMPUS С-765 Ultra Zoom и фотовспышка ФЭ-35.

Научная новизна. Созданный ранее комплекс методов расчета показателей процесса ТП и рабочего цикла дизеля дополнен разработанной математической моделью и программой расчета АТС с ЭГФ конструкции Bosch, алгоритмом расчета ТП с предварительным впрыском и методом расчета шума от рабочего процесса дизеля. Проведенные расчетные исследования позволили установить основные причины возникновения неуправляемости АТС с ЭГФ (немонотонности зависимости цикловой подачи от времени управляющего импульса) и определить пути ее устранения.

Разработанная математическая модель и программа формирования импульсов управления ЭГФ позволяет осуществлять четырехфазный впрыск. Разработанная математическая модель и алгоритм управления АТС с ЭГФ обеспечивает возможность исследования АТС с ЭГФ как в условиях безмоторных испытаний, так в условиях стендовых моторных испытаний с целью оптимизации параметров впрыскивания топлива на установившихся режимах.

Практическая ценность. Пакет программ для ЭВМ, реализующий комплекс математических моделей процессов ТП, тепловыделения, выбросов сажи и NOx, показателей рабочего цикла дизеля и шумообразования, позволяет быстро и качественно решать задачи по разработке и оптимизации ТС современных дизелей, включая АТС типа Common Rail. Разработанные макетные образцы систем управления для стендовых и моторных испытаний АТС с двумя типами ЭГФ могут быть использованы в учебном процессе и в научно-исследовательских работах.

Предложена и реализована конструкция устройства для регистрации параметров впрыскивания АТС с ЭГФ, в которой учтены недостатки приборов прежней конструкции, позволяет регистрировать предвпрыски и интервалы между предвпрысками и основным впрыском. Получены данные по

сравнительному анализу АТС с ЭГФ Bosch и Delphi. Разработано устройство, которое совместно с электронной системой управления, обеспечивает достаточно точную регистрацию струй распыленного топлива, подаваемого ЭГФ.

На основании результатов расчетного исследования процессов ТП, тепловыделения и показателей рабочего цикла установлена связь между конструктивными и регулировочными параметрами АТС с ЭГФ и показателями рабочего цикла дизеля. В результате расчетного исследования гидравлических процессов, протекающих в АТС с ЭГФ конструкции Bosch, были установлены три причины неуправляемости процесса тогашвоподачи (вызываемые наличием или отсутствием касания клапаном упора, наличием или отсутствием касания иглой упора, либо волновыми явлениями в топливопроводе) и определены пути их устранения.

Реализация работы. Метод и программа гидродинамического расчета АТС с ЭГФ внедрены в НАМИ и РУДН. Пакет программ расчета процессов ТП, тепловыделения и показателей рабочего цикла дизеля используется в учебном процессе специальности «Двигатели внутреннего сгорания» МАДИ (ГТУ). Макетный образец системы управления для стендовых и моторных испытаний АТС с ЭГФ, а также устройство для регистрации параметров впрыскивания используется в учебном процессе и в работах Проблемной лаборатории транспортных двигателей МАДИ (ГТУ).

Основные положения, выносимые на защиту:

Дополнение комплекса математических методов и программ расчета процессов ТП, расчета токсических показателей и показателей рабочего цикла дизеля, разработанной математической моделью и программой расчета АТС с ЭГФ конструкции Bosch, алгоритмом расчета ТП с предварительным впрыском и методом расчета шума от рабочего процесса дизеля.

Сопоставление результатов опыта и расчета для проверки адекватности метода гидродинамического расчета АТС с ЭГФ конструкции Bosch, а также результаты расчетного параметрического исследования АТС с ЭГФ конструкции Bosch.

Математические модели, алгоритмы и программы управления АТС с ЭГФ при безмоторных и моторных испытаниях.

Устройство для регистрации параметров впрыскивания в АТС с ЭГФ, позволяющее регистрировать предвпрыски и интервалы между предвпрысками и основным впрыском.

Результаты безмоторных экспериментальных исследований разработанной системы управления и макетного образца АТС с ЭГФ, включающие также сравнительные исследования ЭГФ фирм Bosch и Delphi и регистрацию движения струй распыленного топлива.

Личный вклад автора:

На основе технической и патентной литературы проведен анализ работ, посвященных методам математического моделирования процессов, происходящих в ТС и цилиндре дизеля, основных направлений совершенствования рабочего процесса и способов уменьшения выбросов отработавших газов, а также работ по алгоритмам управления АТС с ЭГФ.

Дополнен комплекс математических моделей и программ, описывающих рабочие процессы дизеля, оснащенного АТС с ЭГФ.

Создана и реализована в виде программного продукта математическая модель АТС с ЭГФ конструкции Bosch. Проведено сопоставление опытных и расчетных данных для проверки адекватности математической модели и расчетные параметрические исследования АТС с ЭГФ типа Bosch.

Созданы математические модели и программы управления АТС с ЭГФ для безмоторных и моторных испытаний, а также для решения возможных других задач. Проведены экспериментальные безмоторные исследования разработанной автором системы управления и макетного образца АТС с ЭГФ.

Разработано устройство для регистрации параметров впрыскивания АТС с ЭГФ.

Разработана установка для регистрации и исследовано движение струй топлива, подаваемого ЭГФ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях: в МАДИ (ГТУ) (2003г.), в ВлГУ (2003г.), в МГТУ (2006г.), в НАМИ (2006г.) и заслужили положительные оценки.

Публикации. Материалы исследований опубликованы в 7-ми статьях и докладах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, содержит 182 страницы, 62 рисунка, 8 фотографий, 15 таблиц. Библиография включает 123 наименования.