Исследование влияния высоковольтного разряда на подачу

электрогидродинамического насоса высокого давления топливной системы дизеля.

 

д.т.н., проф. каф. «Гидравлика» Соковиков В.К., 84952230523*1446

ст. преподаватель, магистр Строков П.И., 89262742508

Университет машиностроения (МАМИ)

 

Аннотация. В статье рассматривается влияние высоковольтного электрического сигнала, подаваемого на электроды насоса высокого давления топливной системы дизеля, на расход, поступающий в цилиндры двигателя из гидроаккумулятора давления. Установлены основные зависимости, показывающие, что рост высоковольтного напряжения приводит к повышению давления в аккумуляторе и расходу в цилиндры двигателя.

Ключевые слова: электрогидродинамический насос, двигатель, электроды, расход, аккумулятор.

 

Abstract. This article presents the effect of a high-voltage electric signal, sent to electrodes of a high-pressure pump of the engine fuel system, on the consumption supplied to the engine cylinders from the pressure accumulator. The main dependences determined show that a high voltage increase leads to the accumulator pressure increase as well as to the engine cylinders consumption.

Key words: electrohydrodynamic pump, engine, electrodes, consumption, accumulator.

 

В статье рассматривается насос высокого давления для топливной системы дизеля, способной создавать давление 100-150 МПа, однако схема может быть использована в системах с другой рабочей жидкостью, где требуется для работы высокое давление.

Схема топливной системы дизеля с электрогидродинамическим насосом (ЭГДН) представлена на рис.1. Основной особенностью насоса является то, что для создания давления и подачи топлива необходима подача высокого электрического напряжения (до 80 кВ) между электродами, расположенными внутри насоса.

Рисунок 1. Принципиальная схема аккумуляторной топливной системы дизеля

На рис.1 обозначено: 1 – электронный блок управления; 2 – датчик давления гидроаккумулятора; 3 – электрогидравлические форсунки двигателя; 4 – гидроаккумулятор; 5 – электрогидродинамический насос высокого давления; 6 – высоковольтные электроды; 7 – блок повышения напряжения; 8 – информация от датчиков системы; 9 – блок задания частоты (или транзисторный коммутатор); 10 – система подпитки с насосом и переливным гидроклапаном; 11- электрогидравлический клапан.

В работах [1], [2] и [4] представлены результаты исследований физических процессов, происходящих в насосе при изменении выходных параметров электрического блока управления. Вместе с тем, создаваемое давление и подача насоса существенно зависят от подаваемого электрического напряжения и его частоты.

На рис.2 приведена упрощенная функциональная схема электрогидродинамического насоса, из которой можно судить о взаимосвязях отдельных элементов на подачу насоса и создаваемое давление.

Рисунок 2. Функциональная схема электрогидравлического насоса.

На рис.2 обозначено: 1 – объем рабочей камеры насоса Vркн; 2 – камера разряда с двумя электродами; 3 – гидравлические потери при движении паротопливной смеси по рабочей камере насоса до обратного гидроклапана; 4 – расход паротопливной смеси через гидроклапан Qак; 5 – релаксация паротопливной смеси и расход топлива через форсунки двигателя; 6 – механизмы двигателя, включая цилиндры двигателя; 7 – обратная связь в виде привода к насосу подпитки.

На рис.2 принято: Qнп – подача насоса подпитки; Pраб.к – давление в рабочей камере до электрического разряда; Pр.к – давление в рабочей камере после электрического пробоя между электродами; Pк – давление перед гидроклапаном; Pак – давление паротопливной смеси за гидроклапанном в гидроаккумуляторе, измеряемое электрогидравлическим датчиком давления 2, рис.1; Qак – расход паротопливной смеси через обратный гидроклапан насоса в гидроаккумулятор; Qц – расход топлива, поступающий в цилиндры двигателя после релаксации паротопливной смеси; nдв – обороты коленчатого вала двигателя; Uв – высокое напряжение, подаваемое на электроды рабочей камеры насоса.

Работа насоса заключается в следующем. Высокое напряжение (20-80 кВ) подается на электроды насоса. Между электродами возникает плазменная электрическая дуга, вокруг которой происходит нагрев и испарение топлива, что приводит к созданию паротопливной смеси с высоким давлением до 150 Мпа. Ударная волна высокого давления и весь поток паротопливной смеси расширяются от электродов с большой скоростью, открывают напорный гидроклапан и паротопливная смесь поступает в гидроаккумулятор. В гидроаккумуляторе происходит релаксация этой смеси и она «превращается» в топливо, которое через электрогидравлические форсунки поступает в цилиндры двигателя. Вместе с тем, если паротопливная смесь не успела релаксироваться, то в виде подготовленной к сгоранию смеси (или вместе с топливом), направляется в цилиндры двигателя. Освободившееся пространство в рабочей камере насоса после подачи заполняется топливом из системы подпитки.

Система подпитки механически не связана с коленчатым валом двигателя, поэтому подача электрогидродинамического насоса не зависит от оборотов двигателя и определяется либо блоком управления, либо оператором.

            Процесс повышения давления в камере разряда достаточно сложный [3], он зависит от частоты подачи электрических импульсов, зазоров между электродами, формы электродов и т.д., но в первом приближении при определенном зазоре между электродами его можно представить в виде следующего графика, рис.4. Там же показано влияние частоты подачи электрических импульсов .

Рисунок 3. Изменение давления в камере разряда в функции подаваемого высокого напряжения .

            На рис.3 предполагается, что частота подаваемого напряжения f1 >f2>f3>f4.  Рисунок показывает, что рост напряжения и частоты электрического сигнала приводят к повышению давления в камере разряда Pр.к..

            Для увеличения давления в гидроаккумуляторе потери в обратном гидроклапане насоса стараются сделать минимальными, в частности за счёт уменьшения массы его подвижных элементов и увеличения проходных сечений. Пренебрегая гидравлическими потерями в обратном гидроклапане можно использовать уравнение расхода  [6] через гидроклапан в гидроаккумулятор в виде:                      

                         (1)

где обозначено: Qак – расход паротопливной смеси через обратный гидроклапан в гидроаккумулятор,  - коэффициент расхода в гидроклапане,  - площадь открытия гидроклапана.

            В результате релаксации паротопливной смеси давление в гидроаккумуляторе уменьшается, но оно вновь возрастает в результате последующих подач насоса до значения, заданного электрогидравлическим клапаном 11 (рис.1) и конструкцией двигателя. Поэтому количество паротопливной смеси, поступающей из электрогидродинамического насоса в гидроаккумулятор и последующей релаксации равно

              (2)

где  - количество подач электрогидродинамического насоса в гидроаккумулятор в секунду.

            На основании уравнения (2) представим график подачи топлива в гидроаккумуляторе в функции подаваемого электрического напряжения на электроды камеры разряда при =2, при условии = , где  - расход поступающий в цилиндры двигателя.

Рисунок 4. Зависимость расхода, поступающего в цилиндры двигателя, в функции высоковольтного напряжения

На рис.4 обозначено:

- кривая 1 соответствует ,

- кривая ,

- кривая ,

- кривая , 

Расчеты проводились для следующих параметров: .

            Из рис.4 следует, что при увеличении напряжения и давления в рабочей камере насоса существенно возрастает расход, поступающий в цилиндры двигателя. Так, при изменении напряжения между электродами от 40 до 70 кВ при давлении в гидроаккумуляторе Па и  расход из аккумулятора возрастает с 3,9 мл/с до 12,25 мл/с.

            Таким образом, в статье представлены результаты расчетов влияния напряжения в камере разряда на расход топлива в цилиндры двигателя. Увеличение напряжения в камере разряда приводит к росту давления в гидроаккумуляторе и расходу в цилиндры двигателя. Такое же влияние и частоты подачи импульсов. Топливная система дизеля с электрогидродинамическим насосом может обеспечить различные режимы работы двигателя при сокращении расхода топлива на транспортном средстве.

 

 

 

 

Используемые источники

 

1.                Соковиков В.К., Строков П.И. и др. Беспрецизионный  электрогидродинамический ТНВД. Автомобильная промышленность №3, 2005.

2.                Соковиков В.К., Строков П.И., Голубев Д.С. Практическое применение электрогидродинамического насоса. Тракторы и сельхозмашины №3, 2009.

3.                Наугольных К.А., Рой Н.А. Электрические разряды в воде (гидродинамическое описание).- М.: Наука, 1971, 155с.

4.                Топливный насос нового поколения/Ю. В. Максимов, В. К. Соковиков, А. А. Бекаев, П. И. Строков//Изв. МГТУ "МАМИ". 2012. № 2(14). Т. 2. С. 241-245.

5.                Соковиков В.К., Бекаев А.А., Строков П.И. Электрогидродинамический двигатель//Транспорт на альтернативном топливе. 2013. № 3(33). С. 26-30. 

6.                Лепешкин А.В., Михайлин А.А. Под ред. Беленкова Ю.А. Гидравлические и пневматические системы. 6-ое издание. Учебник. – М.: изд. «Академия», 2011. 336 с.