Проект топливной системы тепловозного дизеля Д49 с электронным управлением топливоподачи

 

1.3.1 Представление ТНВД  Bosch

 

1.3.1.1 Применение и требования 

 

          Индивидуальные ТНВД с электромагнитным клапаном применяются на тяжелых дизелях для тепловозов и судов. Максимально допустимая частота вращения коленчатого вала этих двигателей составляет 1000 мин ¹ при цилиндровой мощности 150-450 кВт.

          Для определенных случаев эксплуатации тяжелых транспортных дизелей уже существуют узаконенные требования по ограничению токсичности ОГ, для более широких областей применения они находятся в стадии разработки. Такие нормативы наряду со стремлением к оптимизации расхода топлива и уменьшению уровня шума оказывают решающее влияние на совершенствование двигателей и соответственно на дальнейшее развитие систем впрыска.

Для выполнения указанных требований при обеспечении высокой мощности момент начала впрыскивания должен свободно варьироваться. Это условие легко реализуется при помощи индивидуальных ТНВД с электромагнитными клапанами, которые управляются специальными электронными блоками.

 При этом, по сравнению с механическими индивидуальными ТНВД, имеющими механические регуляторы, отпадает необходимость в рейке, регулирующей втулке и элементах соединения, а также в исполнительном механизме. Эти громоздкие детали заменяет электрический провод, соединяющий блок управления с электромагнитными клапанами ТНВД.   

 

   1.3.1.2 Описание преимуществ

       Преимущества ТНВД Bocsh с электромагнитным клапаном, перед механическими ТНВД Д49 выражается в следующем:

- Отсутствие нагнетательного клапана,  что в свою очередь уменьшает   расход материалов и комплектующих.

- Большие возможности компоновки при хорошей совместимости с традиционными головками блока цилиндров.

    -  Быстрая установка и возможность точного регулирования.

    -  Простота замены в случае ремонта и обслуживания.

 - Точное дозирование топлива с возможностью индивидуальной регулировки момента начала и величины подачи по цилиндрам.

 - Возможность отключения отдельных ТНВД для обеспечения у оставшихся цилиндров оптимальных параметров при частичных нагрузках на двигатель.

- Отсутствует топливная рейка, что упрощает конструкцию и обслуживание.

- Плунжер индивидуального ТНВД с электромагнитным клапанном выполнен намного проще. Обосновывается это отсутствием канавки с регулирующей кромкой. Кроме того, в гильзе плунжера отсутствуют распределительные отверстия.

      Кроме того, появляется возможность задать для каждого цилиндра различные условия регулирования процесса впрыскивания, что позволяет принимать во внимание дополнительные параметры, такие, как температура топлива или степень износа отдельных цилиндров.

 

    1.3.1.3 Конструкция и принцип действия

       По сравнению с индивидуальным механическим ТНВД, плунжер индивидуального ТНВД с электромагнитным клапаном выполнен намного проще. Он не имеет ни спиральной канавки с регулирующей кромкой, ни продольной канавки. Кроме того, в гильзе плунжера отсутствуют распределительные отверстия. Вместо нагнетательного клапана в корпус ТНВД установлен электромагнитный клапан с управляющим поршнем. Цилиндрический управляющий клапан 11 (рисунок 4), ходит по гильзе 12 в верхней части корпуса 14 ТНВД. На этом поршне со стороны катушки электромагнита 9 находится игла с конической посадочной поверхностью, которая взаимодействует с седлом в гильзе. Там же укреплена пластина 7 якоря, которая при подаче напряжения на катушку притягивается электромагнитом, преодолевающим силу возвратной пружины 10 клапана. При этом управляющий поршень переходит в закрытое положение, т. е. игла плотно прилегает к седлу. Между пластиной якоря и корпусом электромагнита остается воздушный зазор.  Как только катушка электромагнита обесточивается, пружина клапана сдвигает управляющий поршень от магнита, открывая проходное сечение клапана и прижимая управляющий поршень к упорной пластине 3.

 

 

 

1- штуцер; 2- штекер соединения с блоком управления; 3-упорная пластина; 4-плунжер; 5-канал подвода топлива; 6-канал обратного слива;7-пластина якоря; 8- стакан корпуса; 9-катушка эл.магнита;10-пружина клапана; 11-клапан; 12-гильза; 13-пружина возврата плунжера; 14-корпус; 15-кулачок; 16-толкатель

 

Рисунок 4- Конструкционная схема  ТНВД Bosch

 

 

 

      Через кольцевые канавки и отверстия в гильзе плунжера возможны отвод просачивающегося без давления топлива или смазка плунжера под давлением.

      Канал подвода топлива выполнен таким образом, что поступающее горючее постоянно охлаждает электромагнит. Для этого величина прокачки выбрана в 3-5 раз больше, чем величина подачи топлива при полной нагрузке двигателя.

      Для того чтобы могло произойти впрыскивание топлива, блок управления работой дизеля включает катушку электромагнита в то время, когда плунжер движется вверх. Пока катушка под напряжением, клапан остается закрытым и топливо под давлением подается к распылителю. Одновременно снижается сила тока в катушке электромагнита, удерживающей клапан в закрытом положении. Соответственно, уменьшаются потерн мощности и излишнее тепловыделение, связанные с прохождением тока через катушку. Для окончания впрыскивания блок управления снимает напряжение с катушки. Возвратная пружина клапана сдвигает управляющий поршень в открытое положение. Оставшееся горючее, нагнетаемое плунжером, перетекает через открытый клапан в канал обратного слива топлива. Таким образом, магистраль высокого давления разгружается до давления в системе подачи.

       На протекание процесса впрыскивания при использовании системы индивидуальных ТНВД c управлением электромагнитными клапанами, как и при механическом регулировании, влияет форма кулачка привода ТНВД.

       Наполнение надплунжерного объема индивидуального ТНВД через проходное сечение конического седла электромагнитного клапана имеет ряд преимуществ. Главным из них является то, что при ошибочном «зависании» управляющею поршня в открытом или закрытом положении не произойдет перехода к недопустимому режиму эксплуатации двигателя (например, к «перекрутке» дизеля из-за превышения величины цикловых подач). Это относится также и к ошибкам в управлении электромагнитным клапаном.

       Гильза, в которой перемещается управляющий поршень, горизонтально расположена в верхней части корпуса ТНВД. Если после долгой эксплуатации на седле появляются следы износа, конструкция ТНВД позволяет быстро заменить пару «гильза — поршень».

        2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

 

    2.1 Топливный расчет

 

       Статическая модель расчета топлива базируется на следующих основных положениях: топливо считается сжимаемым, но коэффициент сжимаемости при расчете сохраняет постоянное значение; давление и плотность во всех точках ТВД в любой рассматриваемый момент времени считается постоянным; клапаны насоса и форсунки открываются и закрываются моментально. При этом расчет сводится к решению уравнения объемного баланса, которое в общем случае можно записать в виде:

                                                                  (1)

 

        Где, Fп- площадь плунжера; Сп- скорость плунжера; t- время; - коэффициент сжимаемости топлива; - эффективное проходное сечение сопловых отверстий распылителя; - объем топлива в магистрали высокого давления; p- давление топлива в магистрали высокого давления; -давление в цилиндре; - плотность топлива.

 

        Расчет топливоподачи по статическому методу происходит на трех этапах.

        На первом этапе происходит предварительное повышение давления топлива в магистрали до того момента пока, давление на достигнет величины затяжки ,пружины подъема иглы форсунки. В нашем случае эта величина равна 32 мПа.

       Расчет данного этапа упрощается за счет исключения правого слагаемого, в правой части уравнения (1) т.е. =0.  В этом этапе учитываются объемы над плунжером Vп, в штуцере Vшт, в трубопроводе Vтр и перед иглой Vи, т.е.,

 

 

                                        (2)

      Второй этап описывается уравнением (1) и продолжается до тех пор до тех пор пока не произойдет впрыск топлива равный цикловой подачи на установленном режиме. В этот момент блок управления прекращает подачу напряжения на катушку электро- магнита.

      Расчет производится аналогично. Однако здесь уже учитывается объем посадочного места иглы   т.е

         

                                                                                   (3)

 

 

      Третий и заключительный этап- свободное расширение. Начало происходит в момент прекращения подачи топлива насосом и продолжается до момента окончания истечения топлива из форсунки. Здесь уместно говорить о резком падении давления до 0,2 мПа, т.к. напряжения с катушки электромагнита снимается, а значит, клапан под действием возвратной пружины открывается и разобщает трубку высокого давления с ТНВД. Топливо течет по пути меньшего сопротивления уходя на обратный слив.

       Расчет производился в программе MS Excel, потому как требует повышенной точности. В итоге расчетных и исследовательских операций мы получили компьютерную программу (рисунок 5), позволяющую автоматически выводить результаты на разных режимах работы двигателя, задавая такие параметры как: угол опережения подачи топлива, обороты коленчатого вала, объем магистрали высокого давления, начальное давление, площадь поперечного сечения плунжера и т.д.

 

 

 

  

 

 

Рисунок 5- Пример рабочего окна расчетной программы MS Excel

 

 

 

 

 

 

   2.1.1 Результаты исследования

 

        Для подтверждения  целесообразности применения такой  системы к прототипу, был произведен с помощью программы MS Excel, расчет подачи топлива по статическому методу,  результатами которого стали, диаграммы (рисунок 6), характеризующие зависимости давления впрыска от угла поворота кулачкового вала на некоторых позициях контроллера машиниста.  

 

 

 

1- изменения давления подачи топлива от угла поворота кулачкового вала на холостом ходу; 2-на четвертой позиции контроллера машиниста (ПКМ); 3- на восьмой ПКМ; 4- на одиннадцатой ПКМ; 5-на 15 позиции ПКМ; а- срабатывание клапана; б- начало впрыска топлива в цилиндр

 

 

 

Рисунок 6- Диаграммы зависимости давления подачи топлива от угла поворота кулачкового вала

 

 

      Результаты расчета  показали, что топливная характеристика  примененной  топливной системы удовлетворяет условиям эксплуатации. Положительная работа ТНВД в совокупности  c преимуществами системы описанными выше, определенно доказывают целесообразность проекта. Однако, положительные результаты исследования, не решают проблему в корне. Мы знаем, что применяемый ТНВД был разработан для эксплуатации на двигателе 7FDL, поэтому монтировать его на двигатель Д49 без вмешательства конструкционной работы невозможно.

       Конструкторское  предложение, описание расчета  подачи топлива по статическому методу, а также тепловой расчет приведены далее.

 

    

   2.1.2 Конструкторское предложение

 

 

       После анализа, расчета и проверки на рабочую возможность эксплуатации ТНВД Bosch, следовала новая задача. Потребовалось спроектировать такую конструкцию, которая бы не только монтировалась на двигатель Д49 , но и чтобы механические составные ТНВД взаимодействуя друг с другом выполняли полезную работу.

       Нельзя не упомянуть и о том обстоятельстве, что в современном мире новая конструкция создается сначала виртуально, в компьютерном варианте, т.е. в трех мерном изображении. В нашем случае использовалась программа Solid Works   (рисунок 7). Одни из возможностей такого метода позволяют проектировать и видоизменять каждую деталь по отдельности, выполнять сборку, и строить чертежи.

 

 

 

 

 

  

 

 

Рисунок 7- Рабочее окно программы «Solid Works»

 

 

       Результатом проектирования является  ТНВД изображенный на рисунке 8 ,спаренный из нижний части ТНВД Д49 (рисунок 9)  и ТНВД Bosch (рисунок 10).

       В первом случае мы оставили без изменений все, кроме платформы и болта внутренней части втулки. Как видно на рисунке 11 , в платформе предлагается выполнять только отверстия, через которые проходят шпильки идущие от блока дизеля. Выполнение других отверстий, в отличии от первоначальной модели, является нецелесообразным,  т.к. они не пригодятся.  Шпильки проходят дальше через отверстия корпуса ТНВД Bosch, тем самым соединяя конструкцию, и после чего две составные части закрепляются болтами. На болт (рисунок 12), выполнятся  наращение, которое будет играть роль толкателя плунжера.

        Во втором  случае предлагается выполнять  стакан корпуса ТНВД, с аналогичными геометрическими параметрами, и центром отверстий подобными,  «платформе» для возможности соединения. 

 

      

 

 

 

а- в объеме; б- продольный разрез

 

Рисунок 8- Представление спроектированного ТНВД

 

 

 

 

 

      

                      а- вид в объеме; б- продольный разрез

 

Рисунок 9- Нижняя часть ТНВД Д49 с измененной платформой

 

 

 

Рисунок 10- ТНВД Bosch с измененной нижней частью корпуса

 

 

 

 

 

 

а- традиционная; б- измененная

 

Рисунок 11- Платформа ТНВД Д49 (вид сверху )

 

а- традиционный; б- измененный

 

Рисунок 12- Болт внутренней части втулки