Модернизация системы топливоподачи дизельного двигателя Д-21 (конструкторская часть дипломного проекта)

СОДЕРЖАНИЕ

1 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ АККУМУЛЯТОРНОЙ СИСТЕМЫ ТОПЛИВОПОДАЧИ......
1.1 Обзор и анализ существующих схем......
1.2 Выбор схемы регулирования цикловой подачи (производительности) насоса высокого давления...
1.3 Обоснование компоновки узлов и элементов топливного насоса высокого давления............
1.4 Обоснование параметров и расчет на прочность
элементов аккумуляторной системы топливоподачи............
1.4.1 Расчет хода, диаметра плунжера и числа секций высокого давления ............................................................
1.4.2 Расчет подкачивающего насоса.....................
1.4.3 Расчет на прочность промежуточного
аккумулятора давления...................................................
1.4.4 Выбор параметров нагнетательных трубопроводов и их расчёт на прочность.................................
1.4.5 Расчет крутящего момента на валу топливного насоса высокого давления
1.4.6 Расчет эксцентрикового кулачкового вала на
усталость и статическую прочность.................................
2 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ КАРТЫ НА СБОРКУ ДОЗАТОРА ............



1 ОБЗОР И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ
АККУМУЛЯТОРНОЙ СИСТЕМЫ ТОПЛИВОПОДАЧИ



1.1 Обзор и анализ существующих схем аккумуляторной системы
топливоподачи

Известно, что недостатками систем с гидроаккумуляторами малой емко-сти является зависимость цикловой подачи и давления впрыскивания топлива, как и в насосах непосредственного действия, от частоты вращения кулачкового вала насоса. В значительной степени от этих недостатков свободны системы с гидроаккумуляторами большей емкости, в которых аккумулятор располагается автономно. Примеры таких систем приведены ниже.
Воронежским лесотехническим институтом разработана аккумуляторная система топливоподачи с применением электроуправляемой форсунки /30/ схема которой приведена на рисунке 1.1.
Система работает следующим образом.
Перед запуском двигателя электронный блок 4 в зависимости от температуры окружающей среды, пусковой частоты вращения коленвала, технического состояния цилиндро – поршневой группы и др. задает необходимую для качественного запуска двигателя величину давления в аккумуляторе 3 , и подает управляющий сигнал на исполнительный механизм муфты 7 , которая соединяет вал 14 топливного насоса высокого давления с валом 15 привода насоса 9 предпусковой прокачки масла. При включении по сигналу блока 4 привода 8 насоса 9 одновременно начинается вращаться и вал 14 топливного насоса высокого давления. После достижения заданного давления топлива в аккумуляторе 3 по сигналу датчика 12 электронный блок управления 4 с помощью муфты 7 разобщает вал 14 насоса с валом 15 и сообщает его с коленвалом двигателя 17.





















Рисунок 1.1 Аккумуляторная система топливоподачи с электроуправляемыми форсунками.
1-насос высокого давления; 2- трубопровод; 3 – аккумулятор; 4 – элек-тронный блок управления; 5 – форсунки; 6 – регулятор давления; 7- муфта; 8 – привод; 9 –насос предпусковой прокачки масла; 10,11 12 – соответственно датчики частоты вращения, нагрузки и давления топлива в аккумуляторе 13 – предохранительный клапан; 14,15,16 – вал; 17 – коленвал двигателя.
После достижения заданного давления масла в системе смазки блок управления выдает сигнал на запуск двигателя, работу фрсунок 5 и включения привода 8 насоса 9 предпусковой прокачки масла.
Вращение вала 14 топливного насоса 1 высокого давления осуществляется от коленчатого вала 16 двигателя, причем благодаря связи блока 4 с регулятором давления 6 и аккумулятором 3, давление в последнем при изменении режима работы дизеля может изменяться по любому закону автоматически.
Недостатком данной системы является то, что при пуске двигателя необходим поворот коленвала на несколько оборотов, для того, чтобы топливный насос высокого давления создал давление в гидроаккумуляторе, достаточное для впрыска топлива в цилиндр и начало работы двигателя. Это увеличивает расход пусковой энергии.
С целью повышения быстродействия систем топливоподачи иногда устанавливают пневмогидравлические цилиндры, воздушная полость которых сообщается с источником сжатого воздуха через подключенный к блоку управления электропневмоклапаном с дросселем /31/. Схема этой системы приведена на риснке 1.2 .
Система работает следующим образом. При пуске двигателя 14 в период предпусковой прокачки дизеля маслом, когда давление топлива в аккумуляторе 2 отсутствует, электронный блок 13 автоматически задает требуемую настройку автоматического регулятора 4 поддержания давления, посредством электронного управляемого органа задания давления и включает электропневмоклапаном ( ЭПК 11).





Рисунок 1.2 Аккумуляторная система топливоподачи с электронной системой управления впрыском.
1-топливный насос; 2 – гидроаккумулятор; 3 – предохранительный кла-пан; 4 – регулятор давления; 5 – шток; 6 – рейка насоса; 7 – форсунки; 8 и 10 – трубопроводы; 9 – пневмогидравлический цилиндр; 11 – ЭПК;12 – источник сжатого воздуха; 13 – управляющий блок; 15 – 16 – соответственно датчики частоты вращения и нагрузки.
При этом шток 5 перемещает рейку 6 в положение наибольшей подачи насоса 1 , а сжатый воздух из баллона 12 через открытый ЭПК 11 поступает в воздушную полость пневмогидравлического цилиндра 9. Давление воздуха в воздушной полости передается и усиливается дифференциальным поршнем пневмогидравлического цилиндра 9, который перемещаясь в сторону гидрополости создает в топливной системе необходимое давление к моменту достижения пусковой частоты вращения в процессе раскрутки коленвала.


Количество впрыснутого топлива, угол опережения подачи и порядок работы электронно-управляемых форсунок 7 определяются и регулируются электрическим блоком управления 13 . Недостатком системы является конструктивная сложность.
Харьковским институтом инженеров железнодорожного транспорта предложена система топливоподачи с дозирующим устройством, схема которого приведена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 Система топливоподачи дизеля.
1- топливный бак;2- топливоподкачивающий насос; 3- топливный насос; 4 – гидроакккумулятор; 5 – регулятор числа оборотов; 6 – форсунки; 7 – дозирующее устройство.
Система работает следующим образом. Топливоподкачивающий насос 2 подает топливо из топливного бака 1 к насосу 3 высокого давления, который нагнетает его в гидроаккумулятор 4, из которого топливо через дозирующее
устройство 7 передается к форсункам 6, которые впрыскивают его в ци-линдр двигателя ( на рисунке не показан). При прохождении топлива через дозирующее устройство 7 оно сначала поступает в кольцевую проточку высокого давления14 ( рисунок 1.4) через впускное отверстие 9 в корпусе 8 и объединенной с ней нагнетательный клапан 15. При вращении золотника 13 от привода происходит соединение нагнетательного клапана 15 через выпускные 10 в корпусе 8 с помощью форсунок 6, которые осуществляют впрыск. Начало впрыска относительно DVN определяется углом наклона β передней кромки нагнетательного канала 15, а конец впрыска углом наклона α задней кромки нагнетательного канала 15.

Рисунок 1.4 Дозирующее устройство: 1- корпус; 2,3,4, и 5 – соответственно впускное, выпускное, разгрузочное и сливное отверстия; 6- золотник; 7 и 9- кольцевая проточка; 8 – нагнетательный канал; 10- канал; 11,12, 13 – кромки дозатора.

Воронежским лесотехническим институтом разработана аккумуляторная система топливоподачи дизеля /33/, схема которой приведена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 Аккумуляторная система топливоподачи для дизеля: 1- гидроаккумулятор; 2-датчик давления; 3 – предохранительный клапан; 4- электронно управляемые форсунки; 5- двухпозиционный электромагнитный клапан; 6- сливной трубопровод; 9- двигатель; 10,11- рабочие камеры двигателя; 12- поршень;13 – рейка; 4 14 – вспомогательный насос высокого давления; 15 – электродвигатель; 16 – двухпозиционный электромагнитный клапан; 17 - аккумулятор; 18,19,21 – трубопроводы; 20 – клапан электромагнитный; 22 – электронный блок управления;23 – подкачивающий насос; 24- фильтр.
Система работает следующим образом. На установившемся режиме электрический ток от блока управления периодически поступает в обмотки электромагнитных клапанов 5, форсунок 4. Клапаны на время, пропорциональное продолжительности импульсов тока, разобщают гидрозапорные полости форсунок 4 с гидроаккумулятором 1 и сообщают со сливными трубопроводами 6. Давление над иглами падает и форсунки 4 поочередно срабатывают. Когда ток перестает поступать в электромагнитные клапаны 5, последние сообщают ту или иную гидрозапорную камеру с аккумулятором 1 и разобщают со сливными трубопроводами и впрыскивание прекращается.
Таким образом, из гидроаккумулятора 1 расходуется некоторое количество топлива, восполняемое основным топливным насосом 7 и в гидроаккумуляторе 1 устанавливается давление (оптимальное для данного режима), задаваемое блоком 22 управления и контролируемое датчиком 2.
Ток не подается в управляющие электромагнитные клапаны 16, 20 серводвигателя 9, поэтому обе его рабочие камеры 10 и 11 разобщены со сливными трубопроводами 19 и 21, давление топлива в камерах равны и рейка чётко зафиксирована.
При увеличении нагрузки дизеля регулятор частоты вращения, встроенный в блок 22 управления увеличивает длительность τ электрического сигнала, поступающего в электронно- управляемые форсунки 4 на величину ∆τ. Электронный блок 22 управления формирует также два сигнала, пропорциональные величине ∆τ и передает их на электрический клапан 20 и двигатель 15 вспомогательного насоса 14, клапан 20 разобщает камеру 11 серводвигателя 9 с аккумулятором 17 и сообщает со сливными трубопроводами 21. Давление в камере 11 резко падает. Поршень 12 с рейкой 13 смещается вправо, увеличивает подачу топлива насосом 7 практически одновременно с увеличением расхода из гидроаккумулятора 1, исключая тем самым провал давления в нем и ухудшения экономичности.
Вспомогательный насос 14, увеличивающий подачу топлива через акку-мулятор 17 и клапан 16 в камеру 10 серводвигателя способствует увеличению быстродействия и улучшению экономичности, т.е. в заявленной системе топливоподачи сигнал на перемещение рейки 13 поступает до начала изменения давления в гидроаккумуляторе 1, в то время как у прототипа это происходит в то время как давление изменится и датчик зафиксирует это изменение. На протяжении времени блок 22 управления осуществляет сравнение заданного значения давления в гидроаккумуляторе 1 с реальным фиксируемым датчиком 2, и осуществляет коррекцию продолжительности импульса.
С целью интенсификации процесса топливоподачи, может быть использована система приведенная на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6. Система топливоподачи дизеля.
1- форсунка традиционного типа; 2-линия высокого давления; 3- гидрозапорная линия; 4- секция высокого давления; 6- аккумулятор; 7- клапан обратный; 8- дроссель; 9- предохранительный клапан; 10- сливная емкость; 11- дополнительный клапан давления; 12- дроссель.

Система топливоподачи работает следующим образом. Секция 4 наоса высокого давления нагнетает топливо в линию 2 высокого давления, которое поступает в подигольную полость форсунки 1, а также в запорную линию 3. Из- за разности давлений в подигольной и надигольной полостях игла форсунки имеет возможность открываться и обеспечить подачу топлива в цилиндр дизеля.
Дроссель ограничивает величину перетечек топлива в гидрозапорную линию и таким образом уровень давления в нем. Аккумулятор 6 позволяет стабилизировать давление гидрозапирания в начале и в конце подачи, обеспечив более короткое и интенсивное впрыскивание топлива. Обратный клапан 7 исключает возможность опорожнения аккумулятора 6 в период после впрыскивания.
Вместе с тем наличие аккумулятора 6, клапана5 давления гидрозапирания обеспечивают в период между впрыскиваниями подпитку линии высокого давления через зазор между иглой и распылителями. Таким образом, система может при высоких начальных давлениях, обеспечивающих интенсивное впрыскивание, допускать низкое давление остаточное, уменьшающее вероятность появления подвпрыскивания.
Московским государственным автомобильно- дорожным институтом разработана система топливоподачи для автотракторного дизеля (рисунок 1.7.) с гидроуправляемым клапаном.
Система работает следующим образом. В исходном начальном состоянии топливной системы клапан 15 закрыт, так как сигнал от блока управления 29 не подается. При этом гидроуправляющий клапан 6 открыт и приводная полость 5 заполнена топливом. Под действием усилия пружины 23 управляющий клапан 15 находится в закрытом состоянии и разобщает управляющую камеру 18 с линией связи 17 и сливом 19.
При подаче электрического импульса из блока управления 29 на электромагнитный привод 16 клапан 15, преодолевая усилие пружины 23, открывается. Топливоприводной полости 15 через дроссельное отверстие 20, управляющую камеру 18 и открывающий клапан 15 поступает в линию связи 17, слив 19 и бак 25. Под действием усилия, возникающего из- за разности давлений 8 в управляющей камере 18 и приводной полости 5 гидроуправляемый клапан 6, преодолевая усилие пружины 24, закрывается и тем самым прекращает поступление топлива в полость источника 1 постоянного давления на вход 12 обратного клапана 11 и далее в рабочую полость 14, плунжкр 4 и поршень 3 усилителя давления.

Рисунок 1.7 Топливная система для дизеля (патент No2059865)
1- источник постоянного давления; 2- корпус; 3- рабочий поршень; 5- приводная полость; 6- гидроуправляемый клапан; 7 –форсунка; 8- игла; 9,10- соответственно надигольная и подигольная полости; 11- обратный клапан; 12- вход клапана; 13- выход клапана; 14- рабочая полость плунже-ра; 15- управляющий клапан; 16- электромагнитный привод; 17- линия связи; 18- управляющая камера; 19- слив; 20- дроссельное отверстие; 21, 22- каналы; 23,24- пружины; 26- бак; 27- гидронасос; 28- напорная гидролиния; 29 – блок управления; 30- надпоршневой объем; 31- слив; 32- пружина.

Продолжительность открытия клапана 15, а следовательно длительность электрического импульса, поступающая на электромагнитный привод 16 из блока управления 29, пропорциональны высоте подъема усилителя давления, и следовательно определяют цикловую подачу. Усилие пружины 24 предотвращает открытие иглы 8 под действием давления топлиыа поступающего из рабочей полдости 14 в подигольную камеру 10. При прекращении подачи электрического импульса из блока управления 29 на электромагнитный привод 16 управляющий клапан 15 под действием пружины 23 закрывается.
В управляющей камере 18 и приводной полости 5 происходит выравнивание давлений и гидроуправляемый клапан 6 под действием пружин 24 открывается. Установка пружины 24 способствует уменьшении периода времени, и следовательно сокращению запаздывания подачи топлива. Под действием (давлением) топлива от источника постоянного давления в приводную полость 5, поршеь3 и плунжер 4 двигаются вниз. При этом топливо из подпоршневого объема 30 вытесняется в гидролинию 31, слив 19 и бак 35. Под действием нарастающего давления в рабочей полости 14 и на выходе 13 обратного клапана 11 последний закрывается, а игла 8, преодолевая усилие пружины 32, открывается и происходит впрыскивание топлива в цилиндр дизеля через впрыскивающее отверстие 33. В момент перекрытия 22 и 21 топливо из рабочей полости 14 поступает в подигольную камеру 9, закрывается, что приводит к перекрытию распыливающих отверстий и окончанию впрыскивания.
Данная схема конструктивно сложна и трудно исполнима.

Ни рисунке 1.8 приведена схема системы топливоподачи Common-Real, разработанная фирмой L`Orange (Германия). Эта система является более экономичной и имеет высокий коэффициент полезного действия, что достигается регулирование производительности за счёт дросселирования.




Рисунок 1.8. Схема аккумуляторной системы впрыскивания Common- Rail для 8 – цилиндрового дизельного двигателя.
1- электронный блок управления; 2 – дроссельный клапан; 3- подвод топлива; 4 – насос высокого давления; 5 – датчик давления; 6 – общие топливопроводы ( аккумуляторы); 7 – электромагнитные клапаны; 8 – форсунки; 9- датчик угла поворота кулачкового вала ВМТ.
Система работает следующим образом. Насос высокого давления 4 создает постоянный уровень давления, около 120 МПа, и подает топливо в общие для всех цилиндров одного блока топливопроводы - аккумуляторы 6 . Процесс впрыскивания топлива осуществляется после подачи в обмотку электромагнитного клапана 7, расположенного непосредственно в форсунке, импульсы тока от электромагнитного блока 1 системы управления: при прекращении подачи тока клапаны форсунки закрываются и подача топлива прекращается. Объем цикловой подачи топлива зависит от уровня давления в аккумуляторе и длительности действия тока . С помощью датчика давления 5 электронная система управления двигателем определяет величину действительного давления топлива в системе и , воздействие на дроссельный клапан 2 , регулирует подачу топлива к насосу высокого давления. Создаваемый им расход топлива управляется в соответствии запрограммированной в блоке характеристикой изменения давления топлива в системе в зависимости от нагрузки и частоты вращения. Наряду с регулируемым давлением 9 и продолжительности впрыскивания система также обеспечивает регулирование начала процесса впрыскивания. Каждая форсунка срабатывает при строго определенном угле поворота коленчатого вала. Давление топлива в аккумуляторах и угол начала впрыскивания могут регулироваться в зависимости от предъявляемых к дизельному двигателю требований по оптимизации расходов топлива или по токсичности отравляющих газов. По мнению специалистов фирмы это самая оптимальная схема подача топлива. БГАУ разработана система топливоподачи с электронно-управляемым регулятором давления приведена на рисунке 1.9. Следует отметить, что насосный элемент состоящий из втулки 4 и плунжера имеет самую простую форму. Во втулке плунжера предусмотрено одно всасывающее отверстие изменение производительности предусмотрено в начале нагнетания, вторец плунжера выполнен наклонно. Изменяется производительность поворотом плунжера через зубчатую рейку перемещаемую тяговым электродвигателем. Топливо распределяется распределителем 8 .


Рисунок 1.9. Схема топливоподачи с электронно – управляемым регулятором давления.
1-бак топливный; 2- фильтр отстойник; 3 – насос топливоподкачиваю-щий; 4 – фильтр тонкой очистки; 5 – насос ручной подкачки; 6 – насос высокого давления; 7 – аккумулятор; 8 – распределитель топлива; 9 – форсунка; 10 – датчик давления; 11 – механизм исполнительный 9 шаговой двигатель).

Недостатком системы является невозможность оптимизации работы дизеля.
В настоящее время в Башкирском государственном аграрном университете разработана и испытана электрогидроуправляемая форсунка.
Эта разработка позволяет проектировать систему, аналогичную Common- Rail применительно к автотракторным дизелям ( Д-21), в частности разработать насос высокого давления с дозатором и промежуточным гидроаккумулятором, с некоторыми прогнозными расчетами.


1.2 Выбор схемы регулирования цикловой
подачи ( производительности) насоса высокого давления.


Аккумуляторная система топливоподачи типа Common – Rail предполагает следующие способы поддержания постоянного давления в гидроаккумуляторе:
- изменением производительности насоса высокого давления, нагнетаю-щего топливо в гидроаккумулятор;
- стравливание топлива из гидроаккумулятора с помощью механических ,электромеханических , следящих гидравлических клапанов при постоянной производительности топливного насоса высокого давления, предусматривает наличие дополнительных обработок плунжера ( фрезерование и шлифование кромок, изготовление и подбор дозатора, дополнительные сверления), это делает указанные способы однозначно дорогостоящими. Кроме того перепускание сжатого топлива характеризуется низким КПД нагнетания насоса, что делает способ дроселирования топлива при нагнетании также неэффективным. В данной работе будет проектироваться насос высокого давления с регулированием производительности дросселированием на линии всасывания, то есть дозирование топлива электромагнитным клапанам, причем количество топлива зависит от продолжительности открытия электромагнитного клапана, и следовательно от продолжительности управляющего импульса тока, подаваемого на клапан от управляющего устройства.





1.3 Обоснование компоновки узлов и элементов топливного насоса высокого давления

Данная система разрабатывается применительно к тракторным дизелям Д – 21, и следовательно имитируются максимальные габаритные размеры насоса в пределах. По этой причине была принята рядная компоновка секций высокого давления, также как и у обычной системы питания с двумя нагнетательными секциями высокого давления.
К разработке данного насоса предъявлялись следующие требования:
- компактность;
-технологичность;
- ремонтопригодность;
- долговечность;
- простота конструкций.
Достигается значительное уменьшение длины насоса высокого давления из – за устранения всережимного регулятора. С целью обеспечения мини-мальные колебания давления топлива в гидроаккумуляторе и увеличения долговечности насоса применим эксцентриковый кулачковый вал, с целью обеспечения резкого нарастания давления топлива передаточное отношение между коленчатым валом и кулачковым валом топливного насоса принимаем 2/3. /25/. Также применяем съемную конструкцию дозатора топлива и промежуточного гидроаккумулятора. Топливоподкачивающий насос применяем с поворотным корпусом поршня ручной подкачки.