Состав и устройство систем типа Common Rail
Просмотр в PDF | Версия для печати
Код статьи: 148
Добавил: admin
Просмотров: 74
Слов: 3883
Дата добавления: 7 Jul 2010, 10:42 PM
Комментариев: 0
Первым промышленным образцом аккумуляторной топливной системы с электронным управлением без мультипликаторов давления, названный Common Rail ("Общий путь", т.е. общая для форсунок магистраль, аккумулятор), явилась совместная разработка фирм Robert Bosch GmbH, Fiat, Elasis, реализованная в 1997 г. В настоящее время работы над CR ведутся во всех фирмах-производителях ТПА, и круг законченных разработок быстро расширяется. Вместе с тем разработки таких систем велись с 70-х годов, причем именно в России наиболее удачно .
Принцип работы CR аналогичен системе впрыскивания бензина с электронным управлением: давление в аккумуляторе постоянно, а УОВТ и дц регулируются фазой и продолжительностью открытия форсунки. Однако режимы, условия работы, предъявляемые требования иные, а следовательно, и конструкция существенно сложнее. На рис. 3.1 представлен внешний вид основных механических элементов автомобильной CR R. Bosch, а на рис. 3.2 - ее размещение на дизеле. Такие системы не усложняют головку цилиндра, как насос-форсунки, легче, чем любые альтернативные, компонуются на двигателях различных кинематических схем.
Привод ТНВД - любой, в том числе допускающий проскальзывание, не имеет острой импульсной нагрузки. К числу функциональных элементов относятся и нагнетательные трубопроводы от аккумулятора до форсунок: в отличие от бензиновых систем, без них не удается обойтись. Они имеют длину 150...240 мм, что в сочетании с длинными каналами современных форсунок обуславливает наличие сложных волновых процессов. Без их точного расчета нельзя спроектировать систему, а в эксплуатации нельзя допускать неравноценную замену трубопроводов.
Рис. 3.3 иллюстрирует состав и взаимосвязи элементов CR . Подробнее они рассматриваются ниже. Вариант системы CR автомобиля Mercedes-Benz С220 CDI представлен на рис. 3.4. Отсечной клапан 5 нормально открыт, но позволяет ограничивать производительность ТНВД. В ТПА применено несколько теплообменников. Теплота сжимаемого топлива отводится охладителем 10 сливаемого топлива. В него подается охлаждающая жидкость, менее нагретая, чем в дизель, для этого использован специальный низкотемпературный
С другой целью, для надежной работы ТПА в холодное время применен подогреватель 2, использующий охлаждающую жидкость, как это сделано уже на многих поколениях дизелей Mercedes-Benz. В аналогичной системе дизеля Dl BMW подогрев регулируется клапаном с биметаллическим приводом, а в баке установлен дополнительный ТПН с электроприводом.
К топливоподкачивающим насосам и
фильтрам предъявляются требования, аналогичные для традиционной ТПА. Фирма R. Bosch предлагает использование шестеренчатых и роторных насосов с автономным электроприводом, в том числе погруженных в топливный бак . Давление подачи диктуется наполнением плунжерного пространства, обеспечением смазки и имеет порядок 0,5...0,8 МПа. На рис. 3.5 редукционный клапан встроен в ТПН. Другой клапан, устанавливаемый на выходе или входе в ТПН, предотвращает его опорожнение и обеспечивает быструю подготовку к пуску. Шестеренчатые ТПН с внешним зацеплением приводятся механически , более компактные, с внутренним зацеплением - электродвигателем.
Традиционные для дизелей поршневые ТПН могут удовлетворять требованиям CR, но хуже компонуются в ней. Расчет необходимой производительности удобно вести с учетом максимального расходования топлива ТНВД. Обычно принимают не менее двухкратного запаса их производительности от максимального через ТНВД.
Аккумулятор в CR для получения коротких нагнетательных трубопроводов закрепляется на головке и выполняется в виде толстостенного трубопровода . Например, в ТПА R. Bosch для легковых автомобилей внутренний диаметр аккумулятора 10 мм, наружный - 18 мм, длина 280...600 мм, т.е. объем от 22 до 47 мл (для дизелей с цилиндровой мощностью 30...50 кВт-до 60 мл).
Аккумулятор иной формы удаляется от форсунок и сложнее в отношении обеспечения прочности. Принципиален выбор объема аккумулятора. С одной стороны, он должен сглаживать колебания давления от ТНВД и форсунок. В любом случае необходимо задаться допустимой амплитудой колебания давления. В системе CR для Mercedes ОМ611 допускается АР=5 МПа. Допускаемая нестабильность цикловой подачи Да,, от ЛР = Ря* - Ря* равна:
Р™п =147,15 МПа, а Р^ША =152,85 МПа. Приняв
схему CR с экономичным расходованием топлива на управление, считаем при Vu=48 мм3 общий расход топлива Vs = 1,25Л/Ц = 60 мм3. Если коэффициент сжимаемости (3=35-10-5 1/МПа, то необходимый объем аккумулятора:
max
Колебания Рак от подачи ТНВД менее значительны ввиду значительно большей продолжительности нагнетания каждым плунжером при использовании эксцентрикового привода. В течение этого периода происходит цикл расходования топлива со стороны по крайней мере одной форсунки. Анализ реальной картины рассчитывается точно и без затруднений с использованием полной математической модели процесса ТП .
С другой стороны, необходимый VaK подбирается из условия обеспечения быстроты протекания переходных режимов. Так, для автомобильного дизеля оптимальное Рак изменяется по режимам весьма значительно . Для ускорения переходных режимов необходимо минимизировать VaK. Этот расчет увязывается с динамическим резервом производительности ТНВД. Наиболее важные переходные режимы - резкий наброс нагрузки на средних частотах вращения (наибольший ДР -см. рис.) и пуск дизеля. По этой причине наблюдается тенденция миниатюризации аккумуляторов (у дизеля легкового автомобиля до 13... 15 мм). Сброс давления при резком снижении нагрузки возможен не только за счет уменьшения производительности ТНВД, но и за счет открытия электро-управляемого регулятора давления.
Клапанный регулятор давления. Сразу оговоримся, что метод регулирования сливом из высоконапорного аккумулятора имеет очевидные недостатки: слишком неэкономичен, требует специального охладителя топлива и быстродействующего клапана. Поэтому лучшим решением является отказ от него. Однако ему отводится также роль второго канала регулирования Рак (кроме регулирования ТНВД). Он осуществляет быструю стабилизацию давления при снятии нагрузки, т.к. выключения подачи ТНВД и расходования топлива форсунками недостаточно. В противном случае возможны трудности обеспечения малых подач при высоких давлениях (замедление сброса нагрузки или пропуски подач) и шум-ность работы дизеля. Если удается обойти эти трудности, то неоптимальностью давления впрыскивания с точки зрения требований рабочего процесса можно пренебречь.
Клапан может устанавливаться и в ТНВД, и на аккумуляторе. Пружина 4 через шток 2 закрывает шариковый клапан 1 . Электромагнитом 3 создается дополнительное запирающее усилие.
Клапан отвечает следующим требованиям. Воздействие клапана на снижение давления в аккумуляторе должно быть быстрее, чем за счет выключения подачи ТНВД (частота срабатывания клапана - 200...350 Гц). Оценим реакцию CR дизеля легкового автомобиля. При полном отключении ТНВД и продолжении работы форсунок для обеспечения холостого хода дизеля, при п=3000 мин"1, снижении Рак с 120 до 60 МПа за время 1 цикла дизеля требуется эффективное сечение клапана 0,1 мм2. В клапане по рис. 3.6 пружина открывает клапан при минимальном рабочем давлении в аккумуляторе. Так, при шарике 03,5 мм (напорной площадке 02,5 мм) усилие предварительной затяжки пружины, обеспечивающее его гарантированное открытие при самом низком давлении Рак=30 МПа, равно 150 Н. Максимальное усилие электропривода, гарантирующее закрытие клапана при наибольшем Рак=150 МПа, равно 600 Н. Расчетный ход клапана в этом случае более 0,014 мм, ре-
альный - 0,15 мм. Время срабатывания клапана
в обе стороны =4 мс. Противоречивые требования быстроты, большого эффективного сечения, а следовательно, большого силового воздействия, предъявляемые к клапану, обеспечиваются как современными электромагнитами, так и пье-зоприводом.
Предохранительный клапан (поз. 12 на рис. 3.3) предназначен для стравливания топлива из аккумулятора при превышении давления выше допустимого . Он может срабатывать при неисправном регуляторе давления. Давление срабатывания клапана 2 регулируется поворотом винта 4. Предъявляются повышенные требования к точности изготовления запорного конуса клапана и обеспечению его герметичности. Конус у клапана 2 более тупой, чем у корпуса 1, усилие затяжки пружины 3 -400...450 Н. Обе детали закалены.
Датчик давления топлива в аккумуляторе . Его особенность - стабильная нулевая точка. Мембрана 2 приварена к корпусу и снабжена полупроводниковым первичным преобразователем. Она может прогибаться до 1 мм при давлении 150 МПа. В корпусе смонтирована плата 1 с электронной схемой обработки сигнала, питание 5 В, первичный сигнал 0...70 мВ, после усиления -0,5...4,5 В. Точность измерения не хуже 2%.
Аварийный ограничитель подачи предотвращает опорожнение аккумулятора через форсунку с зависшей иглой или клапаном управления, а также повреждение соответствующего цилиндра дизеля. В нем используется принцип возникновения разницы давлений по обе стороны от клапана 1 при прохождении топлива через его жиклеры 2. Сечение жиклеров, затяжка пружины 3 и диаметр клапана должны строго отвечать максимальной продолжительности и расходу, т.е. подаче топлива.
Уточнение сечений жиклера целесообразно провести на завершающей стадии разработки системы, когда точно известны полные расходы (полезный + на управление) через форсунку на всех режимах. В любом случае расчет ограничителя ведется из условия гарантированного возврата клапана в исходное положение за период между впрыскиваниями на номинальном режиме работы.
3.2. Насосы высокого давления для Common Rail
Первые из промышленно реализованных специализированных ТНВД для CR были насосы немецких фирм. ТНВД первого поколения системы CR фирмы R. Bosch для легкового автомобиля с дизелем 2...2,5 л представлен на рис. 3.10 [174, 166, 167, 168].
Радиально-плунжерный ТНВД обеспечивает равномерность загрузки приводного вала. Так, для
дизеля 2...2,5 л Мкртах- Мкр^ =16 Н-м, что в 9 раз ниже Мкртах распределительного ТНВД типа VE.
Таким образом, требования к приводу ТНВД снижаются до уровня требований к приводам прочих вспомогательных агрегатов ДВС, что весьма важно при давлениях впрыскивания 120...180 МПа. Например, в немецких автомобилях широко используется цепной привод .
Частота вращения вала ТНВД не обязательно соответствует половине частоты коленчатого вала и для легковых автомобилей близка к 3000 мин"1. Дезаксиал осей плунжеров относительно вала позволяет снизить момент, перекашивающий плунжер во втулке. Каждая плунжерная пара имеет впускной и выпускной клапаны. Кроме того, имеется общий клапан давления с ДРоткр=0,05...0,15 МПа народе в ТНВД со стороны подкачки. Он предотвращает опорожнение полостей ТНВД и задержку пуска дизеля. Смазка и охлаждение ТНВД осуществляется топливом, для чего предусматривается его циркуляция по линии низкого давления.
Регулирование ТНВД с учетом его механического привода осуществляется в ограниченном объеме. Даже в системах впрыскивания
бензина во впускной трубопровод для снижения затрат мощности ныне отказываются от стравливания топлива на слив. В Common Rail это многократно важнее: при соизмеримых давлениях впрыскивания в одном дизеле мощность на привод ТНВД CR 3,8 кВт, в то время как распределительный ТНВД типа VE потребляет 2,5 кВт. Противоречие между высоким КПД и затратами мощности ТНВД для CR объясняется потерями топлива на управление в форсунках. В насосе по рис. 3.10 производительность ТНВД регулируется выключением секции с помощью электромагнитного привода 5, блокирующего впускной клапан 4.
Быстро стали ясны недостатки ТНВД по рис. 3.10, а получение давлений выше 150 МПа с его помощью стало невозможно. На рис. 3.11 представлен выпускаемый ныне R. Bosch вариант насоса. Он отличается повышенной работоспособностью привода плунжеров, использованием автоматических шариковых впущных клапанов, компоновкой совместно с подкачивающим шестеренчатым насосом, регулированием производительности дросселированием на всасывании, отличающимся высоким КПД. Много общих решений находим в конструкции ТНВД фирмы Siemens .
ТНВД CR фирмы UOrange GmbH серии 4000 для дизелей фирмы MTU выполнен по четырех-лучевой схеме . ТНВД имеет восемь насосных секций (по две на один эксцентрик). Каждая имеет дезаксиал. Промежуточная втулка не снабжается лысками под толкатели плунжера. Кинематика привода такова, что скольжение втулки относительно толкателей под нагрузкой отсутствует, а при проскальзывании втулки с удвоенной скоростью мимо ненагружен-ного толкателя даже возможно образование несущего смазочного клина. Боковая сила, действующая на нижнюю тарелку толкателя, определяется только моментом трения скольжения эксцентрика во втулке, т.е. она меньше, чем в ТНВД Bosch. Угловое положение втулки определяется текущим контактом между ней и одним из толкателей. По этой причине один эксцентрик не может обслуживать более двух-трех плунжеров.
Высокая экономичность ТНВД также обусловлена регулированием производительности за счет дросселирования на всасывании с помощью электроуправляемого золотника (на рис. 3.12 электромагнит изображен пунктиром). Насос смазывается топливом. Некоторые параметры ТНВД: цилиндровая мощность обслуживаемого дизеля - 30...50 кВт; максимальное давление подачи - 140 МПа; максимальная цикловая подача - 330 мм3 ; максимальная частота вращения вала ТНВД - 4000 мин"1.
Проектирование ТНВД для Common Rail. Выбор схемы ТНВД. Аксиальные насосы промышленной гидравлики и гидроавтоматики рассчитаны на максимальные давления 28 или, реже, на 40 МПа. Наиболее напорные гидравлические насосы - радиально-плунжерные - развивают давление до 63 МПа. Большинство гидравлических насосов используют гидравлические
масла с вязкостью, близкой к v~10-10"6 м2/с . Насосы на давления 100...200 МПа жидкости вязкостью (З-.^-Ю"6 м2/с не являются отработанными изделиями в смежных областях техники.
В результате анализа схем плунжерных насосов фирма R. Bosch применительно к ТПА бензиновых ДВС с непосредственным впрыскиванием и дизелей легковых автомобилей пришла к выводу о том, что звездообразная схема -лучшая по совокупности габаритов, стоимости, КПД и долговечности. Этот вывод не выглядят бесспорным, особенно для дизелей грузовиков и еще больших двигателей.
В звездообразной схеме - лучшая с 3-мя или 4-мя лучами. Трудно возражать против таких достоинств звездообразного ТНВД, как уменьшенные габариты и стоимость, жесткость вала. Такой ТНВД не создает импульсной нагрузки в приводе.
Вместе с тем, равномерность подачи и момента в приводе ТНВД определяются числом насосных элементов и также успешно могут быть обеспечены при рядной компоновке ТНВД. Она обеспечивает более удобную для компоновки дизеля форму ТНВД, более короткие соединительные каналы, возможность уменьшения герметизируемых стыков, особенно-каналов высокого давления, а также большие возможности использования традиционного оборудования при внедрении в производство. Так, для CR грузовых автомобилей ТНВД фирмы R. Bosch имеют именно такую компоновку.
Определение производительности ТНВД. Минутный объемный расход топлива для подачи в цилиндры на номинальном режиме дизеля:
QHOM _ О „ теор = 2П
i еном Ко
коленч цил о ц V" т / '
где т - тактность . Однако в действительности необходимая производительность должна быть скорректирована по ряду причин. Во-первых, все электрогидравлические форсунки имеют дополнительные расходы: утечек в распылителе, утечек в мультипликаторе запирания, утечек в электроуправляемом клапане , а также значительный расход на управление. В качественно выполненной форсунке решающим является последний. Таким образом,
Q
ном
кНОМ pv ном
форс форс теор
Лучшие электрогидравлические форсунки имеют кфОрС=1,06...1,35. Популярные форсунки с дроссельным управлением при гарантировано устойчивой работе на всех режимах, монотонной характеристике gu=f имеют не менее кфорс=1.25...1,75. Подробнее об этом - в п. 3.3. В табл. 3.1 принято кфорс=1,33.
Второе обстоятельство: не очевиден режим работы дизеля, предъявляющий наиболее жесткие требования к производительности ТНВД. Режим пуска - поверочный, требующий сохранения производительности при малых частотах, т.е. с большими утечками в насосе и форсунках. Насос должен обеспечить на пусковых частотах заданные производительность и давление подачи .
В третьих, необходимо обеспечить динамический резерв с учетом переходных режимов. Современные системы CR на каждом режиме обеспечивают оптимальные давления в аккумуляторе . Наиболее критичны переходные режимы, связанные с изменением нагрузки дизеля, ввиду их меньшей длительности. Будем исходить из обеспечения быстрого на-броса нагрузки в середине диапазона рабочих частот, при которых наблюдаются наибольшие различия в давлениях впрыскивания - в зоне максимума крутящего момента. Так, согласно рис. 1.14, при п=3000 давление изменяется вдвое: от 60 до 120 МПа.
В действительности время достижения повышенного Рак может оказаться достаточным
ввиду того, что дизель не может за Atnn. увеличить момент с нулевого до максимального из-за инерционности наддува, реакции водителя, работы замедлителей и др.
Из условия обеспечения приема нагрузки при переключении передач и повышения момента при движении транспортного средства, для дизеля класса ЗМЗ-514, оценивая Atn.n=0,4 с, при объеме аккумулятора VaK=20 мл и необходимости подъема давления Рак с 60 до 120 МПа, запас производительности АОДИн.рез -0,09 л/мин .
С учетом различия частот вращения на рассматриваемых режимах и выбранной частоты вращения вала ТНВД производительность насоса за один оборот его вала может быть вычислена:
Vu Vmax ' 1АТНВД "
Видно, что вопрос обеспечения производительности ТНВД обусловлен для данного, дизеля требованиями пускового режима и приема нагрузки на частоте максимального крутящего момента - . По этой причине по мере совершенствования систем CR для немецких легковых автомобилей VaK снижался от 60 мл до 13 мл.
Выбор числа и размеров насосных секций. Предварительно отметим, что конструктор решает вопрос о частоте вращения вала ТНВД. В данном случае принята пТНвд=1/2п. Такое привычное решение может быть оправдано сохранением старого привода ТНВД. Повышая пТнвд, имеется возможность уменьшить габариты насоса, повысить равномерность подачи, обеспечить более надежную пусковую подачу, облегчить условия работы подшипников скольжения. Для справки: авиационные ТНВД работают при частотах до 16-20 тыс. об/мин. Ограничения быстроходности обусловливаются условиями наполнения плунжерных полостей, безударности работы толкателей, вибрациями от неуравновешенности.
Число насосных секций обуславливает равномерность подачи и момента. Нет разумных аргументов для использования в ТНВД дизеля небольшой мощности числа насосных секций, больших четырех. Основные аргументы в выборе числа секций представлены в табл. 3.2.
Выбор числа секций неоднозначен. Для иллюстрации некоторых соображений из табл. 3.2 на рис. 3.14 представлено изменение крутящего момента на валу ТНВД при использовании числа секций от 1 до 4, обеспечивающих равную объемную подачу за цикл ТНВД У™вд=0,29 мл при
Птнвд=Ю00 мин'1. Все варианты имели наполнительные окна во втулке диаметром 2 мм и, соответственно, полный ход плунжера на 2 мм больший активного.
Можно видеть, что рост диаметра плунжера увеличивает пиковые значения Мкр, мощности и контактных напряжений. Кроме того, уменьшается равномерность М^ и подачи. Равномерность
достигается с !секций-4 при использовании, как в рассматриваемом случае, наполнения через окна и 1секций=3 при использовании наполнения через впускной клапан.
Таблица ла секци
Однако, как указывалось ранее, неравномерность Мкр в приводе CR ниже, чем в традиционном ТНВД и при правильном проектировании привода не является определяющей. Во-вторых, представленные графики относятся к режиму максимальной производительности, а на частичных режимах разрывы между циклами подач отдельных секций неизбежны, причем и при больших амплитудах (например, на номинальном режиме).
С другой стороны, при равном объеме мертвого пространства камеры сжатия при уменьшении диаметра плунжера уменьшается коэффициент подачи, т.е. производительность секции и в целом ТНВД .
Увеличить коэффициент подачи можно снижением мертвого объема камеры сжатия, т.е. надплунжерной полости, канала, направляющих клапана . В этом смысле грибковые клапаны нежелательны.
Подводя итог сказанному, можно рекомендовать при использовании эксцентрикового привода число секций ТНВД - две или три. Наполнение через окна уменьшает производительность насоса больше, чем наполнение через клапаны. Увеличение числа секций обусловлено обеспечением допустимых нагрузок в приводе, уменьшение - стремлением к упрощению ТНВД.
Выбор типа кулачкового привода. Ранее в CR использовались насосы с кулачковым приводом, в том числе с несколькими участками подъема. Бесперпективность традиционного кулачкового привода иллюстрируется на рис. 3.17 и 3.18. Анализируется насосная секция с типичными размерами форсированного автотракторного ТНВД : диаметром плунжера dm=10, ходом Ипл=10, тангенциальный кулачок с гнач=20, радиусом при вершине 6,3, роликом толкателя радиусом грол=20, шириной Ьрол=12, двумя впускными окнами dBn=2. При ПкуЛ=1500 мин'1 она обеспечила подачу 11,3 мл/с в аккумулятор с
давлением 200 МПа, работу за цикл 120 Н-м, т.е. среднюю мощность 3 кВт.
Замена кулачка на эксцентрик того же подъема привела к уменьшению максимальной скорости движения плунжера в 4,45 раза, угла давления - в 3,91 раза, максимального контактного напряжения в - 2,21 раза, максимального крутящего момента на валу ТНВД - в 4,51 раза. Кроме того, эксцентрик технологичнее кулачка. Дезак-сиал позволяет в традиционных ТНВД снизить угол давления и максимальное контактное напряжение на 10...15%. Однако, ввиду нагнетания в основном диапазоне хода плунжера, данный насос оказался малочувствителен к дезаксиалу даже при кулачковом приводе, обеспечив снижение напряжения лишь на 2,56 % и не изменив уровень напряжения на эксцентрике . Последнее объясняется малыми углами давления на эксцентрике и малым отличием от единицы выражения ^соз • Таким
образом, дезаксиал эксцентрика при роликовом толкателе малоэффективен в отношении контактных нагрузок.
Примечание
Рейтинг: Нет оценки
