Система автоматической защиты многотопливного дизеля с турбонаддувом

Рассмотрены схема и принцип действия комплексной системы автоматической защиты многотопливного дизеля с турбонаддувом, выявлена взаимосвязь некоторых параметров системы.

Одним из мероприятий по повышению надежности двигателей внутреннего сгорания является их оснащение защитными устройствами, предотвращающими возникновение аварийных ситуаций. Такие защитные устройства, как правило, выполняются в виде систем автоматической защиты (САЗ) двигателя. САЗ ограничивают или выключают подачу топлива в цилиндры при выходе контролируемого параметра, влияющего на безотказность и долговечность ДВС, за допустимые (заданные) пределы.

Для дизелей с турбонаддувом, снабженными ограничителями дымления (ОД) мембранного типа, благодаря кинематической связи мембраны с органом управления топливоподачей, ОД может быть использован как исполнительный механизм САЗ [1].

Расчет процессов в исполнительном механизме сводится к определению величины давления р в рабочей полости ОД (рис. 1). Давление р зависит от давления наддува р_к во впускном трубопроводе, давления ро окружающей среды, проходных сечений F_x и Fi. Величина сечения Fi переменная и зависит от положения запорного клапана, выполненного (в данном варианте исполнительного механизма) в виде конусной иглы. Положение запорного клапана определяется текущим значением контролируемого САЗ параметра.

Рис. 1. Принципиальная схема исполнительного механизма САЗ на базе ограничителя дымления дизеля

Получим аналитические зависимости, позволяющие рассчитать давление р в камере в зависимости от переменного сечения Fi (или от перемещения S конуса иглы) при заданных величинах давлений р_к и р₀. При этом полагаем истечение газа через сечения F_x и Fi установившимся и адиабатным при постоянном значении показателя адиабаты к.

В качестве исходных уравнений используем уравнения расхода газа через сужающие устройства.

Для сечения F_x:

G_x = a_xs_xF_x ^2р_х(р_к -p);                                                               (1)

для сечения Fi^-.

G₂= a ₂e₂F₂ ^2р₂^р-р₀^,                                                     (2)

где «1 и a2 - коэффициенты расхода для сечений Fx и Fi; Ei и е2 - поправочные множители на расширение измеряемой среды для тех же сечений Л и Е^; рхя.рг- плотность среды на выходе из сечений Ех и Е^.                         '

Так как при установившемся истечении расходы газа через сечение Е_х и Г₂ равны (G_x = G₂), то a_xe_xF_x^Lpfa^p) = a₂e₂F₂^2р₂^-р₀").

После ряда несложных преобразований, допущения о равенстве условий истечения для сечений Е_х и Fi («1 = а₂; е_х = в₂) и соответствии р_х= р\ р₂= р_й (р - плотность среды в рабочей полости ОД; ро - плотность окружающей среды), получим

Fx

Р = —

( k \X!k

2 PPO

•Рк *РгРоРй

F

( k \Xlk

2 PP0_

I Po /

"^ F1 Ро

Для схемы исполнительного механизма САЗ, приведенной на рис. 1, зависимость площади сечения Е_г от перемещения иглы 5 имеет вид:

К = л--5-зш —• D₂ -S-sin — -cos— .

2            2 I 2         2     27

Расчеты с использованием (3) и (4), проведенные применительно к условиям, когда D_x = 1 мм; /)₂ = 8 мм; у = 60°; р_к = 0,185 МПа, иллюстрируются графиками для р и F₂ на рис. 2.

Изменение давления р, воздействующего на мембрану ОД, приводит к перемещению штока, кинематически связанного с рейкой топливного насоса высокого давления (ТНВД). Для ТНВД типа 6НК12М (шестисекционного плунжерного с диаметром плунжера 12 мм) зависимость хода Z штока ОД от давления р приведена на рис. 3.

Рис. 2. Зависимость давления в рабочей полости ОД и площади проходного сечения Р_г от перемещения запорного органа

Рис. 3. Зависимость перемещения штока от давления в рабочей полости ОД

Для современных форсированных дизелей целесообразно применять комплексные САЗ, в которых контролируемыми являются несколько параметров двигателя.

Принципиальная схема комплексной САЗ представлена на рис. 4 (см. также [2, 3]). Согласно схеме при достижении определенного уровня сигнала, вырабатываемого датчиком, например, термопарой 1, и соответствующего определенному пороговому значению температуры отработавших газов (ОГ), с помощью электронного блока управления (ЭБУ) подается напряжение на нагревательный элемент 10 (свеча накаливания), который передает тепло термочувствительному элементу 9 (полый, например, латунный стержень), управляющему посредством связанной с ним иглы 7 (запорного клапана) величиной проходного сечения дросселирующего отверстия 8, и, следовательно, величиной давления в рабочей полости 5 ОД, сообщающейся посредством дросселирующего отверстия 4 со впускным трубопроводом. Выполненные в одном узле нагревательный, термочувствительный элементы и игла образуют электротермоклапан. Экспериментальная характеристика электротермоклапана приведена на рис. 5. Снижение давления в полости 5 при водит к прогибу мембраны 19 ограничителя дымления, перемещению штока ОД (винта) 17 и свя- Серия «Машиностроение», выпуск 7 67

Расчет и конструирование

занной с ним рейки ТНВД в сторону ограничения цикловой подачи топлива. В результате дизель защищается от тепловых и механических перегрузок. Форма зависимости S =Дт), представленная на рис. 5, определяет колебания параметров двигателя при срабатывании САЗ.

Рис. 4. Принципиальная схема комплексной САЗ дизеля с турбонаддувом

При уменьшении температуры ОГ ЭБУ автоматически обесточит нагревательный элемент 10. Термочувствительный элемент 9, охлаждаясь, запрет стравливающее отверстие 8 и откроет его вновь, когда температура ОГ превысит пороговое значение.

Система также срабатывает от сигналов датчика давления 2 в главной масляной магистрали, датчика частоты вращения 3 ротора турбокомпрессора и при изменении вязкости топлива.

Корректирование по вязкости происходит следующим образом. Топливо от подкачивающего насоса поступает в вязкостный корректор конструкции ЦНИТА [4] к клапану 15, поддерживающему постоянное давление в полости 14 независимо от давления на входе и вязкости топлива. Из полости 14 топливо через зазор 13 с ламинарным течением (ламинарный дроссель) поступает в междроссельную полость и далее через турбулентный дроссель 11 на слив.

Рис. 5. Перемещение иглы электротермоклапана в зависимости от времени нагрева и охлаждения при разной силе тока, подаваемого на свечу

При переходе на более вязкое топливо потери на трение растут быстрее потерь вихреобразования, что приводит к падению давления в меяедросельной полости р_т действующего на сервопоршень 12. Перемещение поршня вместе со штоком 16, выполненным в виде зубчатой рейки, приведет к повороту зубчатого венца 18 вокруг винта регулирования мощности 6 и винта 17, зафиксированных от осевого проворачивания. Винт 17 (шток ОД) переместится вверх и уменьшит активный ход плунжера ТНВД, что и требуется при использовании топлива с повышенной вязкостью и плотностью. Компактность конструкции узла, суммирующего контролируемые импульсы, достигнута за счет специально разработанной реечно-винтовой передачи, содержащей элементы 6, 16, 17, 18.

Текущее положение поршня можно определить на основании уравнения неразрывности потока топлива для междроссельной полости

- л ’

и уравнения динамического равновесия сервопоршня d^h

М_т —7Т" ⁼ Р» (^ - /ш ) - PnF_m - ^сп - Рп»^ - ^пр •                           (6)

at

В записанных формулах (5) и (6):

a - коэффициент сжимаемости топлива;

Кп - текущее значение объема междроссельной полости;

ри,р6,рад - давления топлива соответственно в междросельной полости, на входе в корректор и на сливе;

t - время;

ц_щ,ц_а- текущие значения коэффициентов расхода топлива, соответственно в сечениях щели между поршнем и корпусом корректора и турбулентного дросселя;

/щ> /д “ проходные сечения соответственно щели между поршнем и корпусом корректора и турбулентного дросселя;

р_Т - плотность топлива;

s - логическая функция, принимающая значения +1 и -1 в зависимости от направления движения сервопоршня (уменьшения или увеличения Г_п );

Е_та- площадь сервопоршня;

h_ra - перемещение сервопоршня;

М_С11 - масса сервопоршня и перемещающихся с ним элементов;

/ш- площадь штока сервопоршня;

• 5 - жескость пружины, действующей на сервопоршень;

• р^- давление затяжки пружины сервопоршня при отсутствии прокачки топлива через корректор (при нейтральном положении сервопоршня);

Лпр- приведенная к оси сервопоршня сила сопротивления его перемещению (и кинематически связанных с ним элементов).

Опытный образец комплексной САЗ (см. рис. 4), разработанный совместно кафедрой ДВС ЮУрГУ и ГСКБД ОАО «ЧТЗ», показал при испытаниях свою работоспособность и, в том числе, требуемое ограничение цикловой подачи при переходе на более вязкое топливо. Так, перемещение Z штока 17 ограничителя дымления составило 3 мм при переходе с бензина А-72 на дизельное топливо в результате функционирования вязкостного корректора САЗ.

Исследования по совершенствованию системы ведутся в направлении повышения точности регулирования, уменьшения амплитуды колебаний и времени изменения параметров двигателя в переходном процессе при срабатывании САЗ, определения оптимальной степени инерционности САЗ при выходе за пороговые значения различных контролируемых параметров.

Расчет и конструирование