Исторический экскурс: работы кафедры по топливным системам за 100 лет
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, СОЗДАНИЕ НОВЫХ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ.
Ниже упомянуты вехи работ, проведенных в 20 столетии. Более современные работы в последние 30 лет – на страницах сайта.
Уже в первые годы развития отечественного двигателестроения встала проблема создания бескомпрессорных дизелей, т. е. использующих насосное впрыскивание жидкого топлива вместо пневматического распыливания. Такие дизели должны были преодолеть недостатки дизелей с пневмораспыливанием: ограничение по быстроходности, наличие компрессора высокого давления, сложность эксплуатации, взрывоопасность.
Одним из первых предложение отказаться от компрессора и применить гидромеханический способ распыливания была высказана профессором МВТУ В. И. Гриневецким и осуществлена им на опытном реверсивном дизеле. Однако, недостаточный технологический уровень не позволял быстро найти надежные и простые технические решения. В период с 1918 по 1925 г. было проведено большое количество конструкторских работ отечественными и зарубежными учеными и инженерами, направленными на получение удовлетворительной бескомпрессорной системы подачи топлива.
Среди таких работ, связанных с получением положительных результатов, следует отметить конструкцию топливоподающей аппаратуры, предложенную инженером Н. Н. Бобровым — впоследствии профессором МВТУ. Основными особенностями этой системы являлись введение в форсунку дифференциальной иглы, нагруженной пружиной с предварительной затяжкой. Винтовой распылитель с тангенциальной закруткой струи обеспечивал тонкое распыливание топлива и образование широкого факела распыленного топлива в соответствии с формой камеры сгорания. Таким образом, Н. Н. Бобровым было предложено гидравлическое управление работой форсунки при помощи насоса высокого давления, получившее в настоящее время название систем непосредственного действия и наибольшее распространение на всех типах дизелей. Именно такая система была на соответствующем технологическом уровне реализована в 1927 г. с ТНВД серии А.
В целях усовершенствования бескомпрессорных двигатели с воспламенением от сжатия уделялось большое внимание исследованию вопросов, связанных с увеличением среднего индикаторного давления, снижением удельного расхода топлива, повышением быстроходности, приспособлением двигателя для работы на низкосортных топливах. Первоначально считалось, что топливоподающая аппаратура сравнительно мало влияет на эти показатели, и основное внимание сосредотачивалось на конструировании камеры сгорания. Однако эксплуатация и проведенные эксперименты убедительно показали, что качество работы двигателя в целом во многом зависит прежде всего от качества работы топливоподающей аппаратуры и, главным образом, форсунки и топливного насоса высокого давления. Стало ясно, что без глубокого анализа и изучения нестационарных процессов, происходящих в агрегатах топливной аппаратуры, невозможно добиться высокого качества работы самого двигателя; выяснилось, что в работе двигателя первостепенное значение имеет динамическая характеристика впрыска (изменение давления впрыска по времени), скорость истечения топлива, запаздывание начала впрыска, подтекание топлива, качество распыливания, форма факела и др.
Широкий круг исследований в этом направлении в период с 1932 по 1963 гг. проводились с участием и под руководством проф. МВТУ Германа Георгиевича Калиша. Начав преподавательскую работу в МВТУ в 1920 г, Герман Георгиевич стал ведущим специалистом в своей области, авторитетнейшим педагогом, Кроме того, им проводился широкий круг исследований в различных аспектах теории и конструирования двигателей.
Г. Г. Калишем была разработана наиболее полная методика расчета гидромеханического процесса впрыска для форсунок различных типов, с упором клапанов. Было показано, что при работе на нерасчетных режимах с малыми расходами трудно рассчитывать на высокие показатели распыливания топлива. Также и при выходе иглы на упор характеристика нормальной форсунки становится эквивалентной характеристике открытой форсунки, т. е. придает топливной системе нежелательное свойство сильной зависимости давления впрыскивания от режимов работы дизеля, в первую очередь от частоты вращения вала.
Другим важным выводом из теории форсунок Г. Г. Калиша явилась формулирование условий наступления и практические рекомендации относительно неустойчивости работы форсунок. Было объяснен и обоснованы условия и возможности практического использования явления дробящего впрыскивания. Позднее этот режим вошел в ГОСТы на испытания форсунок, как критерий их исправности.
Г. Г. Калишем изучался и теоретически описан нестационарный процесс подачи топлива в системах непосредственного действия. В его основу были положены два основных фактора, обусловливающих специфику этого процесса.
Во-первых, это первостепенное влияние сжимаемости топлива на продолжительность, давление и величину подачи. Для расчета процесса топливоподачи потребовалось определение физических свойств дизельных топлив. Эту работу проводили и другие ведущие специалисты МГТУ. Интересно отметить то, что полученные ими в 30-х 50-хгодах данные и расчетные соотношения с успехом используются и сегодня. Так, помимо соотношений для истинного коэффициента сжимаемости топлива профессором кафедры Д. Н. Вырубовым получено лаконичное выражение для вязкости топлива в функции давления, используемое ныне для расчета утечек, демпфирующих свойств малых зазоров: Другим примером долголетия научных результатов являются зависимости для коэффициентов сжимаемости, полученные Д. С. Миринским для топлив еще в 50-х годах при давлениях до 280 МПа. Благодаря корректно поставленному эксперименту эти данные сегодня актуальны.
Во-вторых, при теоретическом анализе и описании нестационарного процесса подачи в дизелях Г. Г. Калишем доказывалась важность учета наличия волновых явлений в нагнетательных трубопроводах между ТНВД и форсунками. Концепция волнового процесса рассматривалась, как родственной гидравлическому удару, ранее теоретически разработанному также профессором МВТУ Н. Е. Жуковским. Теоретически и экспериментально было показано, что волновой процесс изменяет не только фазу впрыскивания из-за конечной скорости распространения волны давления по трубопроводу, но также изменяет давление и характеристику впрыскивания. Еще в 1934 г. Г. Г. Калишем были записаны применительно к подаче топлива базовые для расчета нестационарного течения в трубопроводах уравнения движения и неразрывности (без учета переменности скорости звука, гидравлического сопротивления). Очевидно, что привычной реализации метода расчета подачи топлива с одномерным расчетом течения в трубопроводах мешало отсутствие средств вычислений: проводить трудоемкие гидродинамические расчеты с многочисленными итерациями на логарифмической линейке было нецелесообразно. Однако исследования влияния различных факторов волнового процесса: параметров трубопровода, величины объемов, сечения сопел, параметров ТНВД, режимных факторов продолжались экспериментально.
В таких работах участвовали и другие специалисты кафедры. В кандидатской диссертации Н. И. Костыгова (1938 г.) исследовалось влияния типа и конструкции топливного насоса на динамическую характеристику впрыскивания.
Наряду с теоретической проработкой процессов топливоподачи кафедрой проводились работы по нуждам промышленности и эксплуатации. Стремление удовлетворить разнообразные требования, предъявляемые к топливным насосам, привело к большому разнообразию конструкций последних. Однако данных для сравнительной оценки качества их работы не имелось, в связи с чем были исследованы динамические характеристики процесса впрыскивания насосов трех основных типов: с клапанным распределением, с золотниковым распределением и с переменным ходом плунжера. Насосы последних двух типов были изготовлены заводом «Красное Сормово». При исследованиях проверялось качество изготовления плунжерной пары и герметичность надплунжерной полости насоса, теоретически и экспериментальностроились динамические характеристики впрыскивания, оценивалась стойкость насосов на износ.
В результате теоретического анализа работы насосов, подтвержденного экспериментальными исследованиями как в лабораторных условиях, так и непосредственно на двигателе, были выявлены недостатки в конструкциях насосов и предложены пути их устранения. Одновременно была установлена необходимость изучения влияния воздуха в топливоподающей системе двигателя на процесс впрыскивания, что и было сделано кафедрой в работе, проведенной в 40-е годы Н. И. Костыговым.
В подтверждение значительного влияния на процесс подачи волновых явлений решалась задача упрощения реверса судовых двигателей при использовании трубопроводов большой длины.
Особого внимания заслуживает научная интуиция и предвидение Г. Г. Калиша. Так, еще в 1937-1940 гг. Г. Г. Калиш со своими учениками изучали процессы и топливную аппаратуру двигателей с впрыскиванием бензина (центральный, распределенный и непосредственный впрыск бензина). Результаты исследований нашли отражение в диссертациях, научно-технических отчетах и публикациях в периодической печати. В частности, в 1941 году в МВТУ им. Н. Э. Баумана инженер С. П. Акопян защитил кандидатскую диссертацию, посвященную проблемам впрыскивания бензина во впускной трубопровод и непосредственно в цилиндры автомобильных двигателей. Некоторые из результатов диссертации оказались реализованы лишь сегодня.
Работы области теории и расчетов топливоподачи в дизелях продолжались на протяжении последних десятилетий под руководством проф. Л. В. Грехова.
Если ранее считалось, что для практических расчетов в быстроходных дизелях можно пренебрегать влиянием трения топлива о стенки трубопровода на процесс подачи, то в работах кафедры 90-х годах было показано, что гидродинамическое трение существенно не только для судовых дизелей (с длинными трубопроводами, при работе на мазуте, с малыми частотами), но теперь и для среднеоборотных и высокооборотных дизелей ввиду увеличения скоростей течения топлива благодаря интенсификации впрыскивания и уменьшению диаметров трубопроводов. Главным же достижением в этой области стало утверждение концепции трения в существенно нестационарных условиях (т. е. с многократным отличием в обе стороны коэффициентов сопротивления от квазистационарных значений). Для этой цели профессором кафедры Л. В. Греховым разработаны новые гидродинамические и теплофизические модели в рамках теории пограничного слоя, поставлены тонкие физические эксперименты с регистрацией профилей скорости в пограничном слое с пространственным разрешением 5 мкм, и временным 15 мкс. Определение характеристик турбулентности в нестационарных потоках в каналах диаметром порядка 2 мм позволило, наконец, констатировать режим течения в трубопроводах топливоподающей аппаратуры. В нестационарных условиях он никак не может характеризоваться известным значением критического числа Рейнольдса, а помимо прочего от времени. Для практических приложений рекомендованы уникальные соотношения для коэффициентов сопротивления и критических чисел Рейнольдса в быстропротекающем процессе.
Процессы в нагнетательных трубопроводах, как известно, осложняются двухфазностью топлива. В работах профессора С. Г. Роганова и тогда еще аспиранта А. А. Дамера путем фотографирования потоков в прозрачном круглом канале проведена визуализация динамики двухфазного состояния топлива. Позднее путем микрофотографирования через микроскоп с увеличением х1200 динамика пузырьков изучалась в импульсном освещении Л. В. Греховым. Практическим выходом этих исследований стали уравнения для упругих свойств (сжимаемости) двухфазных жидкостей в нестационарном процессе с тепло-массообменом между фазами и экспериментально определенными константами.
Другим новым и актуальным фактором топливоподачи к концу XX века стали тепловые эффекты. В 1996 г. Л. В. Греховым впервые были экспериментально зарегистрированы мгновенные температуры топлива в процессе подачи. Разработаны математические модели с учетом разогрева от сжатия, нестационарного теплообмена, диссипации. Экспериментально зарегистрирован разогрев топлива до 260…300 град при истечении с давлениями впрыскивания 200…300 МПа и выше.
В соответствии с запросами промышленности Л. В. Греховым были разработаны математические модели сопряженного расчета топливоподачи и нерезонансных крутильных колебаний в сложных крутильных системах привода ТНВД. Такие модели позволили устранить типичный дефект конструирования новых дизелей (интенсификации впрыскивания в существующих системах). Их применение к случаю крутильных колебаний коленчатого вала и возникающих от работы ТНВД колебаний в кольцевой крутильной системе привода ТНВД позволило снять проблему потери управляемости подачей насоса VE Bosch на серийном дизеле ЗМЗ-5143.10. Расчетная оптимизация параметров и места установки демпфера в приводе нового ТНВД дизелей КАМАЗ позволило решить проблему поломок деталей привода агрегатов.
Эти и другие разработки кафедры нашли использование в программном комплексе «Впрыск», разработанном Л. В. Греховым. Ныне он используется в промышленности, а также стал основным инструментом при выполнении студентами 6-го курса введенного в 1993 г. курсового проекта по топливной аппаратуре и магистерских работ.
Упомянув о разработанных на кафедре профессиональных программах, нельзя не сказать, что как при выполнении заказов промышленности, так и при обучении студентов кафедра уже 20 лет практикует следующий подход: формулировка требований к параметрам топливной аппаратуры производится единственно научно обоснованным способом — на базе оптимизации рабочего процесса дизеля. Сегодня она часто ведется по параметрам токсичности, в том числе удельным выбросам в соответствии с нормами Регламента РФ. Эти работы проводятся с применением программного комплекса «Дизель-РК» (разработчик А. С. Кулешов), которым уже 6 лет пользуются специалисты всего мира по сети Интернет.
Эти программные продукты сделали актуальную задачу — синтез и параметрическая оптимизация топливной системы по заданным энергетическим, экологическим и иным показателям дизеля — не только реальной, но типовой. Для этого применяется обширный оптимизационный аппарат с решением прямой, т. е. корректно поставленной, задачи.
Большой объем работ был проводен в 60-80-е годы под руководством проф. Леонова О. Б. в направлении изучения и поиска улучшения протекания переходных процессов в двигателях. Впервые детально экспериментально исследовались параметры рабочего процесса, топливоподачи, наддува, охлаждения и другие. Была специально подготовлена аппаратура повышенного быстродействия с регистрацией по 24 параметрам дизеля в течение всего периода разгона, включая поцилиндровую диагностику. В работах Мануйлова Н. Н., Шкарупило А. Я, Павлюкова В. Г. были выявлены особенности протекания рабочего процесса, наличие и существенное влияние на ухудшение протекания переходных процессов в дизеле переходных процессов в топливной аппаратуре. Было показано, что разгон дизеля задерживается не только из-за инерционности агрегата наддува, собственной инерции, но и снижением цикловой подачи. При этом был выявлен ключевой параметр топливной системы, провоцирующий замедление переходного процесса — остаточное давление в линии высокого давления. Управление этим параметром было обосновано в качестве наиболее эффективного пути ускорения переходных процессов. Дальнейшие разработки в этом направлении Н. Н. Патрахальцева (ныне проф., заведующего кафедрой ДВС РУДН) позволили теоретически обосновать способы, количественные соотношения и ожидаемую эффективность управления переходными процессами. В работе В. П. Попова удалось согласовать работу регулятора остаточного давления с параметрами наддува, обеспечив почти двукратное ускорение разгона дизеля без признаков дымления. В работе Тарханова О. А. разгон дизеля и согласованная работа турбокомпрессора осуществлялась при двухфазной подаче топлива от специально подготовленных ТНВД. На разработанные технические решения для регулирования остаточного давления было получено более 30 патентов и авторских свидетельств, опытные системы с регулированием остаточного давления были построены для дизелей ММЗ, ВТЗ, Барнаултрансмаш. Наиболее простое решение — подпитка линии высокого давления от автоматического клапана, сообщенного с источником дополнительного топлива и открывающегося после окончания впрыскивания под действием кратковременно возникающего в волновом процессе разрежения — получила широкое развитие в работах Н. Н. Патрахальцева, проведенных им в РУДН, а также, в дальнейшем, широко использовалась для подачи присадок альтернативных топлив.
Наконец, естественным направлением работ кафедры на протяжении 100 лет было совершенствование существующих видов и создание новых образцов топливоподающей аппаратуры. Во всех упомянутых разработках проводилась и такая работа. Однако, она велась и применительно к традиционным двигателям, традиционным топливам. Ее на протяжении трех десятилетий вел Г. Г. Калиш, в том числе совместно с НАТИ, НАМИ, Нижегородским университетом и НММИ.
Большое число разноплановых актуальных работ было выполнено под руководством проф. С. Г. Роганова. Совместно с Ю. П. Макушевым, А. К. Каракаевым им разработаны работоспособные форсунки с замкнутым надыгольным объемом. Продолженные А. Г. Коротневым, Л. В. Греховым работы с аккумулированием утечек обеспечили в сходных системах не только гарантированную работоспособность, но и возможность 2-3 кратной интенсификации впрыскивания и улучшение экологических показателей ряда дизелей. С. Г. Рогановым и М. Н. Покусаевым изучалось поведение форсунок и устойчивость иглы, разработаны способы обеспечения их эффективной работы в широком диапазоне режимов дизеля.
Еще в 70-е…80-е годы были разработаны топливные системы со ступенчатой характеристикой впрыскивания за счет форсунки с двумя запирающими и гибко связанными между собой иглами (Роганов С. Г., Ищенко В. Н.). За счет специального привода плунжеров ТНВД обеспечивалась двухфазная подача и снижение вредных выбросов тракторами для теплиц (Ивин В. И., Пономарев Е. Г.).
Усовершенствовались конструкции единственного выпускаемого в СССР распределительного насоса НД (проф. МГТУ Роганов С. Г., Борисов Б. Н. и Борисов В. Н.). В 70-е годы для испытаний широкого класса топливных дизельных систем был создан проект и построен топливный стенд с прямым приводом ТНВД от вала электродвигателя (А. Н. Крылов, И. Ю. Ходненко, А. П. Ляпин, Б. П. Ляпин). В соответствии с теми возможностями был применен электродвигатель постоянного тока. Механический стробоскопический сборник позволял определять характеристику впрыскивания
Еще в 80-годах были созданы в содружестве КФ ВЗПИ, КТЗ и МВТУ аккумуляторные системы с электронным управлением (С. Г. Роганов, Ф. И. Пинский, В. А. Рыжов — ныне главный конструктор ОАО КЗ). Все основные решения, используемые ныне в системах Common Rail, тогда уже нашли применение и, в частности, обеспечивали высокие показатели дизелей типа Д49. Уместно сказать, что мировые фирмы в то время шли иным путем, оказавшимся неперспективным.
В последние годы XX — начале XXI столетий под руководством Л. В. Греховым создавались образцы специализированных ТНВД для Common Rail, а совместно с БашГАУ, с ОАО НИКТИД — усовершенствованные электрогидравлические форсунки. Все они доведены до испытаний на дизелях.
Топливные насосы с электронным управлением с двумя рейками управления подачей и углом опережения были созданы и прошли успешные испытания коллективом под руководством профессора В. И. Крутова (В. И. Шатров, В. А. Марков, А. Г. Кузнецов).
Проекты насосов с быстродействующим электроуправляемым клапаном для нужд отечественных заводов подготовлены Л. В. Греховым. Так, для дизеля Д50 ОАО Пензадизельмаш спроектирован ТНВД с электроклапанным управлением, макетный образец готовится к испытаниям на дизеле. Для электромагнитных приводов таких систем и Common Rail подготовлены математические модели наполнения-отсечки и процессов в линии низкого давления, а также модели быстродействующих электроприводов.
Рассмотренные в качестве примеров работы в области исследования процессов и создания конструкций топливоподающей аппаратуры неполно иллюстрируют тот круг вопросов, который охватывался кафедрой в связи с задачами, выдвигаемыми промышленностью. Часть теоретических и экспериментальных работ обеспечила расширение представлений о процессах подачи топлива.