Разработка автоматической системы распределенного обогащения воздушного заряда тракторного дизеля

Основные энергетические мощности в АПК РФ представлены дизелями тракторной, комбайновой и автомобильной техники. Повышение энергоэффективности и экологической безопасности такой техники до сих пор представляет актуальную и практически значимую проблему. В данном направлении значительный научный и практический интерес в России и за рубежом представляют исследования, связанные с обогащением воздушного заряда дизеля углеводородным активатором. Данный способ заключается, как правило, в одноточечной подаче определенной дозы (10-20 %) мелкораспыленного активатора (спирт, бензин, керосин, биотопливо и др.) во впускной трубопровод дизеля в такте впуска свежего заряда. При этом моторное дизельное топливо, подаваемое в цилиндр дизеля в конце такта сжатия штатной системой топли-воподачи, впрыскивается не в воздушный поток, а в активаторно-воздушную смесь, образованную во внутренней полости впускного трубопровода и содержащую активные очаги воспламенения, способствующие интенсификации процесса сгорания. В результате за счет повышения полноты сгорания совокупного топлива (моторное топливо + активатор) происходит улучшение индикаторных, эффективных и экологических показателей дизеля [1-4].

Несмотря на известность и эффективность данного способа, одноточечное обогащение не нашло массового применения в автотракторной технике, поскольку известные механические устройства для обогащения воздушного заряда не способны обеспечить точную подачу заданной дозы активатора в различных нагрузочных и скоростных режимах работы дизеля. При этом подача активатора не согласована с тактами впуска свежего воздушного заряда; возникает существенная не- равномерность распределения актива-торно-воздушной смеси по цилиндрам двигателя.

Для решения указанной проблемы необходимо разработать такую систему обогащения воздушного заряда, которая обеспечивала бы точное автоматическое поддержание заданной дозы активатора во всем диапазоне нагрузочных и скоростных режимов работы дизеля, своевременную подачу активатора во время такта впуска свежего заряда в одном из цилиндров и равномерное распределение образованной во впускном трубопроводе активаторно-воздушной смеси по цилиндрам двигателя.

Обзор литературы

В СССР и за рубежом исследования по обогащению воздушного заряда ДВС начали проводиться с 30-х гг. ХХ в.: вначале для форсирования двигателей танков, самоходных машин и авиационных дизелей, позднее – для улучшения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов транспортных средств. Для подачи активатора во впускной трубопровод ДВС применялись различные механические устройства: карбюратор, дозатор, испаритель или дополнительная форсунка. Обогащение воздушного заряда, например, бензином способствовало повышению мощности дизеля и снижению выбросов оксидов азота, а применение спиртовых активаторов – значительному снижению дымности отработавших газов [4-6].

Несмотря на технический эффект от использования активаторов, механические устройства для обогащения воздушного заряда не получили широкого распространения, т. к. обладали одним общим недостатком, а именно невозможностью автоматического обеспечения заданной дозы активатора в различных нагрузочных и скоростных режимах работы дизеля. Поэтому к концу ХХ в. интерес к данному на- учному направлению снизился, а совершенствование конструкции дизелей происходило по другим направлениям: повышение давление впрыска топлива, электронное управление впрыском, рециркуляция отработавших газов, использование каталитических нейтрализаторов и сажевых фильтров и т. п.1. Однако в настоящее время интерес исследователей к обогащению воздушного заряда различными активаторами возобновляется, поскольку законодательные нормы токсичности отработавших газов ДВС во всем мире продолжают ужесточаться, а существующие методы и средства улучшения экологической чистоты двигателей уже исчерпали свой потенциал2–3 [7-8].

Так, одной из последних известных работ по обогащению воздушного заряда являются исследования Технического университета Румынии с подачей в дизель биоэтанола, обработанного ультразвуком. Для подачи данного активатора в одноцилиндровый дизель использовался карбюратор, оснащенный ультразвуковым излучателем (рис. 1). Результаты исследований свидетельствуют о некотором улучшении топливной экономичности дизеля и снижении выбросов оксидов азота. Однако проблема автоматической дозировки активатора в данной работе не была решена, т. к. в условиях стендовых испытаний подача биоэтанола регулировалась вручную путем изменения степени открытия дроссельной заслонки карбюратора [9].

Р и с. 1. Схема установки для обогащения воздушного заряда активатором, обработанным ультразвуком: 1 – дизель; 2 – ультразвуковой излучатель; 3 - карбюратор; 4 - впускной трубопровод

F i g. 1. The scheme of the test bench for fumigating of air charge with the activator modified by ultrasound: 1 - diesel engine; 2 - ultrasonic emitter; 3 – carburetor; 4 – intake manifold

Для обеспечения высокоточной дозировки активатора наиболее целесообразно осуществлять обогащение воздушного заряда с помощью электромагнитной форсунки, управляемой электронным блоком [10]. Такое решение предложено, например, в системе по патенту США № 6679224, содержащей насос для подачи дизельного топлива, насос для подачи активатора, форсунку впрыска топлива в камеру сгорания дизеля и форсунку впрыска активатора во впускной трубопровод. Работой форсунки впрыска активатора на основании сигнала, поступающего с датчика температуры охлаждающей жидкости и датчика состава рабочей смеси, управляет электронный блок. Система дополнительно оснащена устройством для приготовления активатора на борту транспортного средства путем разделения дизельного топлива на тяжелую («топливную») и легкую («активаторную») фракции [11].

В США, Европе и Китае активно ведутся научно-исследовательские работы по обогащению воздушного заряда дизелей, штатно оснащенных системами электронного впрыска топлива Common-Rail. В качестве активаторов в основном используются спирты (этанол и метанол), а приоритетной задачей является улучшение экологических показателей ДВС. Последней тенденцией является использование систем распределенного впрыска активатора в ветви впускного трубопровода электромагнитными форсунками, количество которых равно количеству цилиндров дизеля. Один из вариантов такой системы показан на рис. 2 [12-14].

Р и с. 2. Схема установки для распределенного обогащения воздушного заряда: 1 – впускной трубопровод; 2 – рампа; 3 – электромагнитные форсунки; 4 – дизель; 5 – электронный блок управления; 6 – газоанализатор; 7 – выпускной трубопровод; 8 – динамометрический стенд;

9 – пульт управления двигателем

F i g. 2. The scheme of the test bench for the multi-point fumigation of air charge: 1 – intake manifold; 2 – rail; 3 – electromagnetic injectors;

• 4 - diesel engine; 5 - electronic control unit;

6 - gas analyzer; 7 - exhaust manifold;

8 – dynamometer brake; 9 – engine control board

Таким образом, для точного поддержания заданной дозы активатора на различных режимах работы дизеля, ее своевременной подачи в такте впуска и равномерного распределения актива-торно-воздушной смеси по цилиндрам двигателя необходимо разработать автоматическую систему распределенного обогащения воздушного заряда, осуществляющую впрыск активатора в ветви впускного трубопровода дизеля электромагнитными форсунками, управляемыми электронным блоком по информативным сигналам с соответствующих датчиков.

Материалы и методы

Принцип построения такой автоматической системы показан на рис. 3. Основу системы составляет электронный блок управления (ЭБУ), который должен обеспечивать функционирование исполнительных устройств: включение электрического насоса и работу электромагнитных форсунок по определенному алгоритму, соответствующему порядку работы цилиндров дизеля. Основным выходным параметром ЭБУ является длительность управляющего импульса Т_i (продолжительность впрыска активатора электромагнитной форсункой), соответствующая требуемой цикловой подаче активатора. Поэтому ЭБУ должен быть изготовлен на основе микроконтроллера, в программное обеспечение которого закладывается формула для расчета длительности T_t и алгоритм работы электромагнитных форсунок, осуществляющих распределенный впрыск активатора в соответствующие ветви впускного трубопровода дизеля.

ЭБУ должен обладать простотой настройки системы на требуемую дозу активатора (10 или 20 % от массового расхода моторного топлива) и возможностью коррекции цикловой подачи активатора (ЦПА), учитывающей изменение пропускной способности электромагнитной форсунки при использовании активаторов с раз-

Р и с. 3. Функциональная схема автоматической системы распределенного обогащения воздушного заряда дизеля: K D - коэффициент дозы активатора; К В - коэффициент коррекции;

G _т - массовый расход моторного топлива; n - частота вращения коленчатого вала; п.к.в. - поворот коленчатого вала; T i - продолжительность впрыска активатора;

EI 1 - EI 4 - электромагнитные форсунки

F i g. 3. The functional scheme of the automatic system for the multi-point fumigation of air charge in the diesel engine: K D - ratio of fumigation dose; К в - correction factor; G _т - mass fuel consumption;

n - crankshaft speed; Ti - injector pulse width; EI 1 - EI 4 - electromagnetic injectors личными физико-химическими свойствами. Таким образом, в конструкции ЭБУ должны быть предусмотрены задающие клавиши для ввода коэффициента дозы активатора KD и коэффициента коррекции цикловой подачи активатора КB.

Для вычисления микроконтроллером ЭБУ требуемой цикловой подачи активатора в зависимости от нагрузочного и скоростного режима работы дизеля необходима информация о текущих параметрах работы двигателя: массовом расходе моторного топлива (Gт) и частоте вращения коленчатого вала (n), а для обеспечения фазированного впрыска активатора в такте впуска и работы форсунок по заданному алгоритму - информация об угле поворота коленчатого вала. Поэтому для работы ЭБУ необходимы соответствующие датчики, информативные сигналы с которых содержат сведения об указанных параметрах.

Таким образом, величина требуемой цикловой подачи активатора ( g _ца, г/цикл), подаваемого в такте впуска для обогащения воздушного заряда дизеля, зависит от параметров, характеризующих нагрузочный и скоростной режимы работы дизеля:

g„ = f (G,, n). (1)

где G _т – массовый расход моторного топлива, кг/ч; n - частота вращения коленчатого вала дизеля, мин^–1.

Цикловая подача активатора связана с массовым расходом топлива через соотношение

G ■ т gHa K ■ gцт = Kd ■ Grt , (2) 0,12-n-z где КD – коэффициент дозы активатора (при дозе активатора 10 % коэффициент КD = 0,1; при дозе 20 % КD = 0,2); gцт - цикловая подача моторного топлива, г/цикл; τ = 4 – тактность дизеля; z – число цилиндров дизеля.

Цикловая подача активатора прямо пропорциональна длительности управляющего импульса Т (мс), подаваемого на электромагнитную форсунку, поэтому данные величины связаны соотношением [15]:

60 - 10 3 • K в • g_    2 - 10 6 • K в • K d - G T

^T = —c— =   c„ . „<   -⁽³⁾

где К _В – коэффициент коррекции ЦПА; С_П – статическая производительность электромагнитной форсунки, г/мин.

Массовый расход топлива в единицу времени G _т определяется с помощью расходомера топлива, который используется в качестве датчика нагрузочного режима и вырабатывает информативные импульсные сигналы определенной частоты N _имп на 1 л моторного топлива. При этом число импульсов, вырабатываемых расходомером в секунду (частота f, Гц), прямо пропорционально расходу ^G т :

f =

G г ■ N „мп 3600 r дг ,

где ρ _дт – плотность дизельного топлива, г/см³.

Выразив из формулы (4) расход G _т и подставив его в формулу (3), получим формулу для программирования микроконтроллера ЭБУ по длительности управляющего импульса T i :

T =

7,2■IO⁹ ■ K в ■ K d r ,, ■ f ---------------------------------------------------------------------------------------------------- ■   ---------------------------------- ^.

C_n ■ n ■ z      N „мп

Величины z, ρдт, Nимп и Сп зависят от конструкции дизеля, марки моторно- го топлива, характеристик расходомера топлива, пропускной способности электромагнитной форсунки и вида активатора, используемого для обогащения воздушного заряда. Если данные величины известны и их считать константами, то в программное обеспечение микроконтроллера ЭБУ вводится формула, представляющая собой функцию четырех переменных:

Ti = f (KB, Kd , f, n). (6)

При этом программа микроконтроллера ЭБУ должна не только вычислять значение длительности импульсов Т_i , но и обеспечивать их своевременную подачу в обмотки электромагнитных форсунок в определенной последовательности (по алгоритму). Данный алгоритм зависит от порядка работы цилиндров дизеля, а также количества и расположения цилиндров (или ветвей впускного трубопровода).

Рассмотрим такой алгоритм на примере тракторного дизеля Минского моторного завода Д-243 (4Ч11/12,5).

Конструктивной особенностью данного дизеля является невозможность установки индивидуальных электромагнитных форсунок для каждого цилиндра, т. к. на четыре цилиндра приходится только две ветви впускного трубопровода. Поэтому распределенное обогащение воздушного заряда на данной модели дизеля было реализовано с помощью двух электромагнитных форсунок, первая из которых осуществляет обогащение воздушного заряда, поступающего в первый и второй цилиндры, вторая – заряда, поступающего в третий и четвертый цилиндры. В соответствии с порядком работы цилиндров дизеля 1-3-4-2 порядок работы электромагнитных форсунок будет 1-2-2-1. Если за начальный сигнал датчика фаз принять момент начала такта впуска во втором цилиндре, то порядок работы электромагнитных форсунок примет вид 1-1-2-2. Таким образом, форсун- ки осуществляют попарный последовательный впрыск активатора в ветви впускного трубопровода в соответствии с диаграммой, представленной на рис. 4 [15].

Результаты исследования

Для вывода окончательной формулы по расчету продолжительности Т, , подставим в выражение (5) известные значения, которые будут являться константами: число цилиндров дизеля Д-243 z = 4, плотность моторного топлива р _дт = 0,82 г/см 3 , частота импульсов расходомера топлива N _имп = 800 импульсов/л, статическая производительность электромагнитной форсунки С_п = 200 г/мин.

Сгруппировав и перемножив все константы, получим формулу, которая вводится в программное обеспечение микроконтроллера ЭБУ:

T = 7,2■Ю9 ■ 0,82 Kв ■ KD ■ f = i     200■4■800 ' n

= 9225 ■ K ^в ■ K D ■ f ,_MC.     (7)

n

Результаты расчетов по формулам (2) и (7) показывают, что величина цик- ловой подачи активатора может варьироваться от 1 мг/цикл (при 10%-ной дозе активатора и работе дизеля в режиме холостого хода) до 13 мг/цикл (при 20%-ной дозе активатора и работе дизеля в номинальном режиме). При этом длительность импульса Тi, подаваемого в обмотку электромагнитной форсунки, составляет от 0,27 мс до 3,5 мс.

На основании полученных результатов теоретических исследований была разработана и запатентована автоматическая система распределенного обогащения воздушного заряда активатором применительно к дизелю Д-243 трактора МТЗ-82.1 [16–18].

Система (рис. 5) содержит бак 2 для активатора, фильтр 3 , электрический насос 4 , ЭБУ 5 , модернизированный впускной трубопровод 6 , датчик расхода топлива (расходомер) 7 , датчик фаз и частоты вращения коленчатого вала 8 . Модернизированный трубопровод 6 установлен взамен штатного впускного трубопровода и оснащен рампой 9 , электромагнитными форсунками 10 и регулятором давления 11 . Электрические цепи питания ЭБУ 5 , насоса 4 , датчиков 7 и 8 , форсунок 10 подключе-

540° сжатие рабочий ход впуск intake compression сжатие _ рабочий ход выпуск compression combustion

Диаграмма импульсов 1-й форсунки /

1 st injector pulse diagram

Интервалы между импульсами 1-й форсунки / Crank angles of 1st injector

Диаграмма импульсов . 2-й форсунки / 2nd injector pulse diagram

Интервалы между импульсами 2-й форсунки Crank angles of 2nd injector

такты в 1 цилиндре

2nd cylinder strokes такты в 4 цилиндре

4th cylinder strokes

1 st cylinder strokes такты в 2 цилиндре такты в 3 цилиндре 3rd cylinder strokes сжатие [рабочий ход| выпуск впуск intake compression combustion exhaust рабочий ход combustion

Р и с. 4. Диаграмма управляющих импульсов при распределенном обогащении воздушного заряда четырехцилиндрового дизеля двумя электромагнитными форсунками

( 1 , 2 , 3 , 4 – номера цилиндров, в которых происходит такт впуска)

F i g. 4. The control pulse diagram for multi-point fumigation of air charge on four-cylinder diesel engine with two electromagnetic injectors ( 1 , 2 , 3 , 4 are the numbers of cylinders at the intake stroke)

Р и с. 5. Система распределенного обогащения воздушного заряда дизеля Д-243 трактора МТЗ-82.1:

• 1    - источник тока; 2 - бак для активатора; 3 - фильтр; 4 - электрический насос; 5 - ЭБУ;

• 6 - модернизированный впускной трубопровод; 7 - датчик расхода топлива;

• 8 - датчик фаз и частоты вращения коленчатого вала; 9 - рампа;

10 – электромагнитные форсунки; 11 – регулятор давления

F i g. 5. The system for multi-point fumigation of air charge on D-243 diesel engine of MTZ-82.1tractor:

• 1    - power source; 2 - activator tank; 3 - filter; 4 - electric pump; 5 - electronic control unit;

• 6 - modified intake manifold; 7 - fuel consumption sensor; 8 - sensor of phase and crankshaft speed;

9 – rail; 10 – electromagnetic injectors; 11 – pressure regulator ны к источнику тока 1 бортовой сети трактора.

ЭБУ 5 оснащен клавишей «Пуск/ Сброс» и задающими клавишами для ввода коэффициентов дозы (КD) и коррекции цикловой подачи (КВ) активатора. Основным элементом электрической схемы ЭБУ является микроконтроллер4 [19], в программу которого заложены алгоритм работы электромагнитных форсунок и формула (7) для вычисления длительности управляющего импульса Тi. К ЭБУ подключены датчики 7 и 8, электрический насос 4 и электромагнитные форсунки 10.

Датчик-расходомер 7 предназначен для согласования заданной дозы активатора (10 или 20 %) и массового рас-

^.

хода моторного топлива, информация о котором поступает в микроконтроллер ЭБУ в виде импульсного сигнала определенной частоты (параметр f ). Датчик-расходомер роторно-поршневого типа установлен в линии низкого давления штатной системы топливоподачи дизеля между фильтром грубой очистки и топливоподкачивающим насосом.

В узле привода топливного насоса высокого давления (ТНВД) смонтирован датчик фаз и частоты вращения коленчатого вала 8 . Работа датчика основана на эффекте Холла. Момент начала такта впуска в цилиндрах дизеля определяется по углу поворота кулачкового вала ТНВД, что служит опорным сигналом для срабатывания электромагнитных форсунок. Кроме того, с датчика 8 в блок ЭБУ поступает информация о скоростном режиме дизеля (параметр n ), т. к. частота вращения коленчатого вала прямо пропорциональна частоте вращения кулачкового вала ТНВД.

Система работает следующим образом. В ЭБУ 5 подается напряжение питания от источника тока 1 . После пуска и прогрева дизеля оператор клавишами на панели ЭБУ задает коэффициенты K D и К _В. После нажатия клавиши «Пуск/ Сброс» происходит включение электрического насоса 4 , который подает активатор в рампу 9 и далее - к электромагнитным форсункам 10 .

Микроконтроллер ЭБУ обрабатывает информативные сигналы (параметры f и n ), поступающие с датчиков 7 и 8 . Кроме того, микроконтроллер обрабатывает введенные оператором значения коэффициентов К_D и К _В. На основании полученных параметров микроконтроллер по формуле (7) вычисляет значение длительности импульса Т, подаваемого на электромагнитную форсунку, и определяет момент начала впрыска активатора форсунками (такты впуска). Управляющие импульсы, вырабатываемые микроконтроллером, подаются в электрические цепи элек-

Том 28, № 4. 2018

тромагнитных форсунок, осуществляющих впрыск активатора в ветви впускного трубопровода дизеля по алгоритму, соответствующему порядку работы цилиндров дизеля.

При изменении нагрузочного и скоростного режимов работы дизеля изменяются и информативные сигналы, поступающие с датчиков 7 и 8 . В результате изменения параметров f и n микроконтроллер вычисляет новое значение продолжительности импульса T i , подаваемого в обмотки электромагнитных форсунок. При этом изменится цикловая подача активатора в соответствии с предварительно заданными коэффициентами К _D и К_В.

Если при работе дизеля на малых нагрузках пропускная способность электромагнитных форсунок 10 снизится и станет меньше производительности электрического насоса 4 , давление активатора в рампе повысится, сработает регулятор давления 11 , и произойдет перепуск избыточного количества активатора обратно в бак, в результате чего давление активатора в рампе стабилизируется.

Для прекращения подачи активатора в дизель оператор нажимает клавишу «Пуск/Сброс». При этом происходит размыкание цепей питания электрического насоса 4 и электромагнитных форсунок 10 , после чего можно задать новые значения коэффициентов К D и К В .

Обсуждение и заключение

Представленная методика расчета параметров управляющих импульсов и алгоритм работы электромагнитных форсунок применимы для различных моделей дизелей при оснащении их автоматической системой распределенного обогащения воздушного заряда активатором. ЭБУ является универсальным для различных типов дизелей, при этом в зависимости от числа, расположения и порядка работы цилиндров изменяется только программное обеспечение микроконтроллера.

Разработанная автоматическая система распределенного обогащения воздушного заряда обеспечивает точное поддержание заданной дозы активатора во всем диапазоне нагрузочных и скоростных режимов работы дизеля, подачу активатора, согласованную с тактами впуска свежего воздушного заряда в цилиндры дизеля,

MORDOVIA UNIVERSITY BULLETIN 1^1 и равномерное распределение активатор-но-воздушной смеси по цилиндрам.

Таким образом, результаты исследования свидетельствуют о практической реализации способа распределенного обогащения воздушного заряда на автотракторной технике, что способствует улучшению мощностных, топливно-экономических и экологических показателей дизелей.

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.