Создание и организация производства в Российской Федерации в 2011-2015 годах дизельных двигателей и их компонентов нового поколения (НИР шифр «Инспектор-Д»)

НИР «Проведение поисковых и экспериментальных исследований по разработке опережающих технических решений и технологий мирового уровня для проектирования и оптимизации топливных систем с электронно-управляемым впрыскиванием топлива и давлениями до 300…400 МПа для модернизации базовых образцов средне- и высокооборотных дизельных двигателей и создания перспективных дизельных двигателей» (Шифр «Инспектор-Д»)

Федеральная целевая программа «Национальная технологическая база» на 2007-2011 годы по подпрограмме «Создание и организация производства в Российской Федерации в 2011-2015 годах дизельных двигателей и их компонентов нового поколения».

Государственный контракт с Министерством промышленности и торговли Российской Федерации от 22.02.2012 г.  № 12411.1370300.05.002.

Сроки выполнения работы:  с  22.02.2012 г.  по  10.08.2014 г.

Финансирование: 79 000 000 руб.

Руководитель темы: Зав. каф. "Теплотехника и автотракторные двигатели" д.т.н., проф. М.Г. Шатров.

Основные исполнители: д.т.н., проф. Л.Н. Голубков, к.т.н., доцент А.Ю. Дунин, к.т.н., с.н.с. В.И. Мальчук, к.т.н., доцент А.Л. Яковенко, к.т.н., доцент, В.В.Синявский, магистр П.В. Душкин.

Основные результаты, достигнутые при выполнении НИР

1. Разработаны математические модели гидродинамических, механических, электрических, тепловых и других сопряженных процессов, характерных для быстропротекающего процесса подачи и впрыскивания топлива с давлениями до 300-400 МПа в топливных системах аккумуляторного типа и непосредственного действия с электронным управлением. Основные особенности разработанных моделей:
   • введен расчет многократного образования и ликвидации газовой фазы;
   • предложены быстродействующие и физически адекватные формулы расчета гидравлического сопротивления трубопроводов в условиях нестационарного течения под действием сверхвысоких давлений подачи;
   • формула утечек в прецизионных сопряжениях отличается от известных корректным выводом для случая высоких давлений, как по одну, так и по другую сторону от щелевого уплотнения, универсальностью, учетом зависимости вязкости топлива от давления, аналогичны новые соотношения для расчета демпфирующей силы для движения подвижных элементов со стороны гидродинамического трения в малом зазоре прецизионных пар;
   • предложена полуэмпирическая методика расчета гидравлической разгруженности электроуправляемого клапана при высоких давлениях подачи топлива;
   • разработаны методики расчета кинематики кулачковых механизмов с современными рабочими профилями переменной кривизны, приведенные выражения позволяют рассчитать ход, скорость толкателя, момент и контактное напряжение на кулачках;
   • применение разработанных моделей позволяет рассчитывать процессы и оптимизировать топливоподающую аппаратуру для подачи топлива под давлениями до 350…400 МПа.
2. Получены результаты поисковых расчетно-оптимизационных сравнительных исследований с использованием созданных инновационных методик, направленных на формирование предложений по разработке опережающих технических решений в области топливных систем с давлением впрыскивания до 300…400 МПа для малотоксичных энергоэффективных дизельных двигателей:
3. Разработана конструкторская документация для изготовления топливных систем с микропроцессорным управлением с передовыми техническими решениями для перспективных дизельных двигателей в мощностном диапазоне 400 … 7500 кВт (рис. 1).
4. Изготовлены экспериментальные образцы топливной системы с электронным управлением, давлением впрыскивания до 350-400 МПа и возможностью управления характеристикой впрыскивания.
5. Изготовлены и введены в эксплуатацию испытательный топливный безмоторный стенд Б01.00.00.000 и инструментальные средства для испытаний топливоподающей аппаратуры с электронным управлением непосредственного действия и аккумуляторного типа.
6. На безмоторном стенде Б01.00.00.000 проведены испытания экспериментальных образцов топливной системы, подтверждающие впрыскивания топлива под давлением до 350-400 МПа, возможность управления характеристикой впрыскивания, углом опережения, давлением впрыскивания и осуществление многоразового впрыскивания (рис. 2).

Рис. 1. Экспериментальная топливная система И300.00.000 для перспективных дизелей в мощностном диапазоне 400 … 7500 кВт:

1 – топливный насос высокого давления; 2 – форсунка; 3 … 6 – аккумуляторы; 7 – разветвлитель; 8 … 18 – трубопроводы высокого давления; 19 – штуцер соединительный; 20 – аварийный клапан; 21 – датчик давления

Рис. 2. Испытательный топливный безмоторный стенд Б01.00.00.000:

1 – станина; 2 – защитный кожух; 3 – электродвигатель; 4 – муфта; 5 – топливный бак; 6 – монтажный щиток; 7, 11 – автоматы; 8 – преобразователь с переменного тока напряжением 380 В в постоянный напряжением 24 В; 9 – преобразователь с постоянного тока напряжением 24 В в постоянный напряжением 12 В; 10 – магнитный пускатель; 12 – регулятор частоты вращения; 13 – аварийный выключатель; 14 – опора электродвигателя; 15 – фильтр тонкой очистки топлива; 16 – подкачивающий насос; 17 – регулятор давления; 18, 19, 20 – крепеж электродвигателя к станине

7. Изготовлен и введен в эксплуатацию моторный испытательный стенд М01.00.00.000. Особенности стенда – применение универсального картера с возможность внесения конструктивных изменений в соответствии с особенностями современных и перспективных (только разрабатываемых) дизельных двигателей, обеспечении избыточного давления наддува до 0,5 МПа в соответствии с существующими мировыми тенденциями. Для подачи топлива к форсунке моторного стенда М01.00.00.000 используется стенд Б01.00.00.000, что позволяет без внесения конструктивных изменений в экспериментальный образец проектируемого двигателя исследовать влияние конструктивных параметров топливной системы на его рабочий процесс.
8. На стенде М01.00.00.000 проведены моторные испытания экспериментального образца топливной системы в условиях ее работы на средне (частота вращения коленчатого вала двигателя n = 1000 мин^-1) и высокооборотных (величина n = 1500 мин^-1) дизельных двигателях. Оформлены протоколы и акты проведения испытаний. Показано:

• повышение давления в аккумуляторе топливной системы до 300 МПа в безнаддувных дизелях приводит к резкому увеличению выбросов оксидов азота NO_x (до 3000...3500 млн^-1);
• применение наддува (избыточное давление от 50 до 145 кПа) существенно (в 4...5,3 раза) снижает выбросы NO_x;
• незначительные выбросы сажи на исследованных режимах при избыточном давлении наддува выше 100 кПа позволяют предположить о целесообразности использования рециркуляции отработавших газов в сочетании с повышенными давлениями впрыскивания до 300 МПа и целесообразным уровнем давления наддува.

9. По результатам безмоторных и моторных испытаний изготовлены доработанные экспериментальные образцы топливной системы с электронным управлением, давлением впрыскивания до 350…400 МПа и возможностью управления характеристикой впрыскивания И300.00.002 (рис. 3). В топливной системе И300.00.002 изменена конструкция форсунки и разветвителя, обеспечивающие надежную и стабильную подачу топлива при давлении до 300 МПа, доработаны аккумуляторы для исключения возможности утечек через их штуцеры при длительной эксплуатации с давлениями более 300 МПа.

Рис. 3. Экспериментальная топливная система И300.00.002 для перспективных дизелей в мощностном диапазоне 400 … 7500 кВт:

1 – топливный насос высокого давления; 2 – форсунка; 3 – аккумулятор; 4 – разветвлитель; 5 – трубопровод форсунка-аккумулятор; 6 – трубопровод форсунка-аккумулятор; 7 – трубопровод форсунка-аккумулятор; 8 – трубопровод аккумулятор-аккумулятор; 9 – трубопровод аккумулятор-штуцер; 10 – трубопровод разветвитель-штуцер; 11 – трубопровод разветвитель-штуцер; 12 – трубопровод насос-разветвитель; 13 – трубопровод насос-разветвитель; 14 – трубопровод секция-секция; 15 – штуцер соединительный; 16 – пластина прижимная на два штуцера; 17 – пластина прижимная на один штуцер; 18 – стремянка; 19 – пластина прижимная на два штуцера глухая; 20 – заглушка штуцера; 21 – датчик давления

10. Разработаны рекомендации по внедрению в производство разработанных топливных систем с электронным управлением, предназначенных для создаваемых и перспективных семейств средне- и высокооборотных дизельных двигателей.
11. Разработаны 4 технологии:

• проектирования топливоподающей аппаратуры непосредственного действия с электронным управлением;
• проектирования топливных насосов высокого давления аккумуляторных топливных систем с электронным управлением;
• проектирования быстродействующего электромагнитного привода клапанов топливных систем дизелей с электронным управлением на основе оптимизации нестационарных гидроднамических, электрических и магнитных процессов;
• проектирования привода насосной секции топливного насоса высокого давления аккумуляторной системы типа Common Rail.

12. В Федеральную службу по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам поданы 2 заявки о выдаче патентов на полезные модели, 1 – на изобретение и 2 на регистрацию программы для ЭВМ:

• Заявки № 2013152358 (изобретение) и № 2013152359 (полезная модель) сделаны на "Топливный насос высокого давления аккумуляторной системы двигателя внутреннего сгорания" и направлены на повышение надежности и ресурса современных высоконагруженных топливных насосов высокого давления аккумуляторных топливных систем.
• Заявка № 2013152357 (полезная модель) "Распылитель форсунки двигателя внутреннего сгорания" содержит техническое решение по повышению прочности корпуса распылителя форсунки при впрыскивании топлива в камеру сгорания дизеля под давлением свыше 300 МПа.
• Программа для расчета топливоподачи системами с клапанным управлением (Инспектор-Д1) и программа для расчета подачи топлива ТНВД Common Rail (Инспектор-Д2). Разработанные программы Инспектор-Д1 и Инспектор-Д2 предназначены для исследований и оптимизации топливных систем непосредственного действия и аккумуляторного типа с электронным клапанным управлением с подачей топлива с давлениями до 400 МПа для перспективных малотоксичных высокооборотных и среднеоборотных дизельных двигателей. Они описывают все актуальные гидромеханические, тепловые, и иные физические процессы в приводе насоса высокого давления, в кулачковом приводе плунжеров, в управляющих клапанах, электроприводах клапанов, динамические явления в трубопроводах и др.