Марченко А.П., Рязанцев М.К., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників у 6 томах. Том 3. Комп’ютерні системи керування ДВЗ

Подождите немного. Документ загружается.

240

Для підвищення чутливості й виключення похибки, обумовленої де-

формацією вала в осьовому напрямку, тензометри підключаються за мос-

товою схемою. Остання значно знижує похибку, викликану впливом коли-

вань опору ковзних контактів (струмознімання).

Як контактні пристрої для передачі сигналу з датчика оборотного ва-

ла (разом з колінчастим валом дизеля) на БСІ (нерухомий контакт) викори-

стовуються збірні або латунні кільця із щітками (графітовими, мідно-

графітовими, срібно-графітовими). Такі ковзні контакти у вимірювальному

цепу (тобто коливання опору) є джерелом значних випадкових похибок,

які повністю виключити неможливо навіть у мостовій схемі. Іншим недо-

ліком тензодатчика М

є невелика надійність самого ковзного струмозні-

мання при тривалій роботі у зв’язку з підвищеним зносним спрацюванням,

особливо при високих частотах обертання колінчастого вала дизеля.

Фазоімпульсне вимірювання М

не має означених вище недоліків. Фа-

зоімпусний метод полягає в тому, що на з’єднувальному валу закріплю-

ються на відомій відстані один від одного два однакових диски з зубцями.

Два індукційних датчика розташовуються кожний проти свого диска

(торця) із зазором поміж полосами магніту й торцями зубців 0,5–1,0 мм.

При проходженні зубців мимо датчиків останні генерують імпульс напру-

ги з частотою

де w – кутова швидкість колінчастого вала двигуна;

m – кількість зубців. Дві послідовності імпульсів, що генеровані обома да-

тчиками з однаковою частотою f, будуть зміщені відносно одна однї на час

t, пропорційний куту закручування g одного диска відносно іншого.

Послідовності позначених імпульсів подаються на вхід електричної

схеми, яка й виробляє напругу тока, пропорційну куту g.

Датчики частоти обертання ротора турбокомпресора. В КПСК з

адаптивністю подібний датчик видає сигнал зворотного зв’язку при корек-

ції командних сигналів паливо- й повітроподачі з метою поліпшення якості

перехідних процесів, як відомо, залежної й від інерційності ротора турбо-

компресора. Частоту w

тк

частіш всього реєструють за допомогою індукцій-

ного датчика. Реєстрація іншими засобами значно утруднена, бо частоти

тк

сягають надвеликих значень 200–300 тис. хв

–1

й більше.

На рис. 3.99 показаний варіант конструкції датчика w

тк

. Він має маг-

ніт 2 й обмотку індуктивності 1. При обертанні гайки 3, що розташована на

241

торці ротора ТК, змінюються повітряний зазор магнітного цепу, його пов-

ний магнітний опір та магнітний потік.

На цьому розгляд датчиків базового набору для КПСК паливоподачі

в дизелях завершуємо, але слід відзначити, що такі КПСК постійно вдос-

коналюються.

Ряд датчиків перспективних КПСК паливоподачею ще належить роз-

робити, використовуючи й нові фізичні, хімічні ефекти.

Сформулюємо основні напрямки створення датчиків нових поколінь:

· датчики для вимірювання глибинних параметрів процесів у дви-

гунах і характеристик якості ДВЗ (концентрації відповідно кисню, залиш-

кових газів, перекисних сполучень та видів токсидів у вихлопі; поточної

температури робочого тіла; крупномасштабної турбулентності у цилінд-

рах; швидкості нарощування тиску при згорянні; поточних рівнів шумів,

вібрацій; товщини відкладень на стінках систем охолодження, мастильної;

зазорів у парах тертя і т. інше);

· комбіновані датчики, які поєднують декілька первинних вимірю-

вань комплексних характеристик процесів у дизелях (середня експлуата-

ційна витрата палива; сумарні теплові витрати в систему охолодження;

статті теплового балансу; завантаження дизеля тощо);

· датчики залишкового ресурсу і багато інших.

Рисунок 3.99 – Датчик частоти обертання турбокомпресора

швидкохідного дизеля

1мм

242

Форсунки та насос-форсунки. Форсунки (насос-форсунки) є основ-

ними виконавчими пристроями КПСК паливоподачею у дизелях.

Розроблені форсунки з безпосереднім приводом. Вони базуються на

використанні магнітоелектричних принципів для керування голкою фор-

сунки. Приклад такої форсунки показаний на рис.3.100, а.

Швидкодія цих форсунок сягає 0,2-0,5 мс, що задовольняє керування

паливоподачею у дизелях середньої швидкості (1500–2500 хв

–1

). На жаль,

форсунка має р

mах

= 60 M

max

, що припустимо лише для малофорсованих

дизелів. Форсунки з безпосереднім керуванням мають й інші недоліки, на-

приклад, потребують значних електричних потужностей для керування,

навіть при обмеженні тиску палива.

Форсунки з електромагнітним приводом, виконані з використанням

феромагнітопроводу, мають обмеження, пов’язані з межею насичення ма-

теріалу магнітопроводу.

Рисунок 3.100 –

Магнітоелектричні та електродинамічні пристрої

дозування та розпилювання палива у дизелях:

а – форсунка з магнітоелектричним (

електромагнітним) приводом:

1 – котушка електромагніта; 2 – рухома котушка; 3 – запираюча голка;

4 – розпилювач;

б – електродинамічний привод форсунки з голчастим запором

243

Розроблені форсунки з підвищеною швидкодією, привід яких є елек-

тродинамічним, що використовує саме взаємодії поміж вихровими стру-

мами, наведеними у замкнутому контурі змінним магнітним потоком й са-

мим вихрем струменів. Існують і комбіновані приводи, у яких поєднують-

ся елементи з використанням електромагнітного й електродинамічного

ефектів.

На рис. 3.100, б подано магнітоімпульсний пристрій з акумулятором

тиску для вприскування палива в дизель (завод ДР, Росія). У ньому елект-

родинамічний привод використовується для керування подачею палива із

акумулятора 6 до форсунки 10. Якір 3 пластин-

чатої форми, виготовлений із немагнітного ма-

теріалу з впресованим у нього мідним кільцем

8, може вільно рухатись поміж закріпленими

плоскими електричними котушками 7 та 9 з

малою кількістю витків. При подачі від кон-

денсаторної батареї імпульсів струму на коту-

шку 7 навкруги останньої виникає змінне маг-

нітне поле, яке ініціює у мідному кільці 8 ви-

хрові струми, що взаємодіють з магнітним по-

лем. У результаті виникає імпульс електроди-

намічної сили, яка й відштовхує якір від коту-

шки; при цьому розміщені в корпусі 5 пристрої

закривають клапан 2, а запірний клапан 1 від-

кривається – починається вприскування. Для

припинення вприскування на котушку 9 пода-

ється імпульс струму, який дозволяє перевести

якір, а отже, й клапани в положення відсічки

паливоподачі.

Найбільшого поширення набули форсун-

ки (насос-форсунки) з гідроелектричним керу-

ванням запірною голкою. На рис. 3.101 ілюст-

рується принцип дії однієї з цих конструкції

(Коломенського філіалу ВЗПІ [1]).

Керуючим елементом форсунки служить клапан з електромагнітним

приводом; у конкретному випадку він виготовлений як золотник. Відкрит-

Рисунок 3.101 –

Схема

електрогідравлічної

форсунки:

1 – корпус форсунки; 2 –

камера вприскування; 3 –

голка; 4 – жиклер камери

вприскування; 5 – жиклер

камери керування; 6 –

золотниковий керуючий

клапан з електромагнітом;

7 – камера управління; 8 –

розпилювач;

А – нагнітання; Б - злив

244

тя й закриття клапана у сполученні з наявністю жиклерів створює гідравлі-

чні зусилля, які викликають підйом голки і її посадку на сідло.

При виконанні клапана золотниковим через нього допускається витік

палива, що знижує енергетичну ефективність КПСК паливоподачею.

Однак при цьому клапан практично врівноважений і тому має висо-

ку швидкодію при малих зусиллях переміщення і, значить, невеликих га-

баритах електромагніта. Для зменшення витіку палива через закритий кла-

пан 6 передбачені: висока жорсткість його деталей, малий зазор в парі та

високий ступінь фільтрації палива. Останнє знижує темп зносу клапана

при експлуатації. Зменшення протікання палива через клапан може бути

досягнуто застосуванням двох – і трьох клапанів.

Суттєве зменшення втрат стиснутого палива може бути забезпечено

при використанні неврівноважених клапанів, наприклад, кулькового типу

(рис.3.102). При цьому, однак, обмежуються можливості значно підвищу-

вати тиск в акумуляторі, оскільки потребуються значні зусилля електро-

магніту аби перебороти силу пружини, що утримує клапан від відкриття

під діянням гідравлічного зусилля. Характерною особливістю цієї форсун-

ки є мінімальний об’єм камери керування (над голкою), що також сприяє

зменшенню втрат стиснутого палива. Форсунки такого типу застосовує фі-

рма Bosch на автомобільних дизелях Mercedes та ін.

На рис. 3.103 показана електрогідравлічна форсунка середньооберто-

вого дизеля. Головні вузли: сопловий наконечник 1, розпилювач 16, дро-

сельний блок 3 й електромагнітний клапан 9. Дросельний блок являє со-

бою стальну шайбу з двома дроселювальними отворами на вході в розпи-

лювач 16 та в камеру керування 4. Керуюча камера 5 запирається притер-

тою парою корпус 6 – втулка 12. Верхня частина втулки 8 є рухомим еле-

ментом якоря електромагніта, який складається з котушки 10, підключеної

до КПСК й нерухомого осердя 11, які вбудовані у корпус 12. Клапан фік-

сується в корпусі 13 гвинтом 17. Втулка 8 клапана утримується у вихідно-

му стані пружиною.

Форсунка працює так. У вихідному стані, коли клапан 9 закритий,

тиски у камерах 5 і 2 рівні й відповідають тиску р

в акумуляторі. Голка

розпилювача щільно притиснута до сідла за рахунок різниці їх площин, на

які тисне паливо зверху й знизу. При подачі електричного імпульсу на еле-

ктромагніт клапан втулки 8, підіймаючись вверх до упору, відкриває злив

245

Рисунок 3.102 –

Електрогідравлічна

форсунка з кульковим керуючим клапа-

ном (фірма Bosch):

1 – кулька;

2 – якір;

3 – проставка;

4 – запірна пружина;

5 – регулювальний гвинт;

6 – електричний роз’єднувач;

7 – штуцер зливу;

8 – корпус форсунки;

9 – канал підводу палива;

10 – стопор;

11 – магнітопровід;

12 – обмотка електромагніта;

13 – дросель;

14 – розпилювач;

15 – гайка стягувальна;

А – від акумулятора високого тиску

Рисунок 3.103 – Електрогідравлічна

форсунка тепловоз

ного дизеля

8 ЧН26/26, Коломенський завод (Росія)

злив

246

палива з камери 5. При цьому через дроселювання потоку палива в дроселі

4 тиск у камері, отже й зусилля, яке діє на головку зверху, зменшується.

Під тиском на диференціальну площинку голки вона відривається від сідла

й різко підіймається до упору. При відключенні електричного сигналу

втулка 8 повертається у вихідне положення пружиною 7. Тиск у камері 5

починає зростати, наближаючись до тиску на вході до форсунки. Тиск в

камері 2 через дроселювання потоку в дроселі 15 стає меншим, ніж на вхо-

ді у форсунку, тому різниця сил, які діють на голку, приведе до посадки

голки на сідло.

У зв’язку з бурхливою дизелізацію автотранспорту за останні роки

майже всі провідні фірми, в першу чергу Bosch, розробили чимало нових

електрогідравлічних форсунок з принциповими перевагами [25], [6] та інш.

Зупинимося на їхніх загальних особливостях.

У конструкцію L’Orange (рис. 3.104) закладено технічні рішення,

аналогічні форсунці Bosch. Поряд з електромагнітним приводом 1 пілотно-

го клапана 2 й мультиплікатора запирання 5, форсунка містить ще додат-

ковий керуючий золотник 3 з проміжним клапаном 4, які зменшують ви-

трату на керування й збільшують швидкодію голки.

Форсунка Societe призначена для дизеля МТИ (рис.3.105). Тут за-

стосований гідравлічно розвантажений двозатворний клапан. Електромаг-

ніт 1 підіймає якір 2 з клапаном 4. При цьому надголкова порожнина 8

роз’єднується з каналами нагнітання 11 по перерізу 6 між клапаном й не-

рухомою напрямною 5 й сполучається через переріз 7 з каналом зливу 3.

Тоді голка 10 долає зусилля від штанги 9 і починається вприскування. Фо-

рсунка не має витрати на керування; її не бажано використовувати для

n > 2000–2500 хв

–1

; складно пристосовувати сполучення деталей по двох

прецизійних поверхнях клапана.

Форсунка Siemens (рис.3.106) відрізняється виконавчим п’єзоприводом

клапана. Для збільшення ходу клапана застосований механічний мульти-

плікатор переміщення (рис.3.107). С початку свого ходу через нього пере-

дається максимальне зусилля, протидіюче високому тиску; зниження зу-

силля (збільшення переміщення) майже немає: а/в

1 (позиція І на

рис.3.107). В кінці ходу зусилля зменшується, а хід збільшується у а/в>1

разів (позиція ІІ на рис.3.107).

247

Рисунок 3.104 –

Електрогідравлічна

форсунка L’Orange

(Франція)

Рисунок 3.105 –

Електрогідравлічна

форсунка Societe ВИДІ

(Франція)

Рисунок 3.106 –

Електрогідравлічна

форсунка фірми

Siemens:

1 – п’єзопривод;

2 – важільний

мультиплікатор

переміщення;

3 – шток;

4 – клапан керування;

5 – жиклер камери

керування;

6 – мультиплікатор

гідрозапирання

Рисунок 3.107 – Важільний мультиплікатор Siemens:

І – у вихідному положенні;

ІІ – у час вприскування

ІІ

а=в

248

Для дизелів 90-х років минулого сторіччя з

відкритою камерою згоряння та n=4000–4500 хв

–1

фірма Bosch випускає двопружинні форсунки

(рис.3.108) [25]. Вони міняють закон паливопода-

чі: забезпечують ступінчастість переднього фрон-

ту характеристики вприскування за рахунок бист-

рішого відкриття голки 12 за першою пружиною

3, що запирає її через тарель 4 і шток 7. При да-

льшому підвищенні тиску голка вибирає зазор

між верхнім торцем й піднутренням у нижньому

торці втулки 11. Тоді через неї й тарель 8 голка

стискує другу пружину 6. Ход по другій пружині

обмежується упором буртика втулки 11 й проста-

вкою 6. Таким чином, кероване вприскування на-

дає можливість знизити жорсткість процесу зго-

ряння на режимі холостого ходу з загальним зме-

ншенням шуму від цього процесу, про що мова

йшла вище.

Переходимо до вивчення сучасних насос-

форсунок, які все ширше розповсюджуються як

головні виконавчі пристрої КПСК паливопода-

чею.

Їх можна поділити на дві групи: без гідро-

посилення; з гідропосиленням.

До першої групи відноситься (рис.3.109) гідроелектрична насос-

форсунка, розроблена фірмою General Motors. Постановці її на серійне ви-

робництво передував великий обсяг довідних робіт, пов’язаних з

розв’язанням складних проблем розробки надійного соленоїда, що забез-

печуватиме високу швидкодію керуючого клапана, розробка запобігання

відмов елементів від вібрацій, захисту від радіо- та магнітних полів тощо.

У даній насос-форсунці реалізовано керування одночасно дозуван-

ням паливоподачі й КВВ у вигляді клапанного регулювання подачі замість

традиційного золотникового. Слід підкреслити доцільність й ефективність

установки електромагнітного керуючого клапана в насос-форсунку з меха-

нічним нагнітанням палива.

Рисунок 3.108 –

Двопружинна форсунка

Bosch

249

Перспективні значніше насос-

форсунки з гідропосиленням тиску вприс-

кування палива та комп’ютерним керуван-

ням.

У високофорсованих дизелях необ-

хідно прискорити вприскування збільше-

них циклових подач, аби не допустити зро-

стання тривалості вприскування, зробити

якісним розпилювання й сумішоутворення,

що вкрай доцільно з точки зору паливної

економічності дизеля. Це все вимагає зрос-

тання тиску вприскування до 150–200 МПа

на швидкохідних дизелях з n до 4000 –

5000 хв

–1

. Високі тиски вприскування та-

кож стають необхідними й тоді, коли су-

мішоутворення в умовах підвищеного на-

грівання стінок камер згоряння повинно

бути об’ємним, що потребує збільшення

енергії вприскнутого палива.

Таким чином, підвищення тиску

вприскування є одним з найбільш ради-

кальних засобів вдосконалення сучасних

масових двигунів транспорту і т.п.

В традиційних паливних насосах з механічним (кулачковим) приво-

дом збільшення контактних напруг поміж кулачком й роликом штовхача

обмежує збільшення тиску нагнітання. Для рядних ПНВТ й подовжених

їхніх паливопроводів великого тиску значну небезпеку викликають коли-

вання палива в цих трактах, що призводить до підтікання палива й небажа-

ної (й некерованої) деформації характеристики вприскування. Ці пробле-

ми успішно вирішуються застосуванням КПСК паливоподачі у поєднанні з

гідропосилювачем (мультиплікаторним гідроприводом), що вбудовується в

електрогідравлічну насос-форсунку, яка дозволяє реально отримувати над-

високі (більші 200 МПа) тиски вприскування без негативних наслідків

(рис. 3.110). Тут мультиплікаторний гідропривід виконаний у вигляді схід-

частого плунжера 4. Поступання палива з акумулятору до ступінчастого

Рисунок 3.109 – Насос-

форсунка з механічним

приводом та електронним

керуванням дозування

паливоподачі й КВВ:

1 – плунжер; 2 – пружина;

3 – голка розпилювача;

4 – дозувальний клапан,

керований електромагнітом