APPRAISAL OF PROBABILITY OF APPLICATION OF PIEZOELECTRIC ACTUATOR FOR INCREASE IN FUEL INJECTION CONTROL SYSTEM EFFECTIVENESS
Authors:
1.
Odessa National Maritime Academy
Type:
Article
Pages:
from 137
to 142
Status:
Published
Received:
20.10.2013
Accepted:
25.10.2013
Published:
25.10.2013
Subject area:
UDK 629.5.064-52:621.431.74
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
BBK 39.42-05
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
BBK 39.42-05
Language:
Russian
Keywords:
high-pressured fuel system, piezoelectric actuator, injection control unit, energy and ecological efficiency of engine
Abstract (English):
It is shown that energy and ecological efficiency of modern slow speed marine engines with electronic control can be increased by using the piezoelectric drive of injection control unit, which with the help of hydraulic cylinder system can generate sufficient displacement and force.
It is shown that energy and ecological efficiency of modern slow speed marine engines with electronic control can be increased by using the piezoelectric drive of injection control unit, which with the help of hydraulic cylinder system can generate sufficient displacement and force.
Keywords:
high-pressured fuel system, piezoelectric actuator, injection control unit, energy and ecological efficiency of engine
high-pressured fuel system, piezoelectric actuator, injection control unit, energy and ecological efficiency of engine
За последние 10 лет существенно изменилась ситуация на рынке нефтепродуктов, что привело к повышению стоимости топлива с 50 до 600 долл./т [1, 2]. Кроме того, ужесточились требования к экологической безопасности судовых дизелей в виде снижения нормы выбросов NOx [3], что поставило перед разработчиками комплекс проблем по снижению эмиссии отработавших газов и расхода топлива. А ужесточение конкуренции на мировых рынках потребовало повышения надежности и эффективности двигателей, снижения эксплуатационных расходов и повышения их долговечности. Для уменьшения выбросов оксида азота в настоящее время существуют два подхода: внецилиндровые методы и методы, ориентированные на изменение рабочего процесса двигателя [4]. Методы первой группы ограничены высокой первоначальной и эксплуатационной стоимостью дополнительного оборудования, а также его массогабаритными показателями, вследствие чего судовладельцы не стремятся к их использованию. Методы второй группы распространены значительно шире и, кроме повышения экологической безопасности двигателя, позволяют оптимизировать рабочий процесс двигателя. В процессе разработки и эксплуатации было установлено, что традиционные способы привода топливного насоса высокого давления (ТНВД) и выпускных клапанов не могут обеспечить необходимой гибкости изменения фаз топливоподачи и газораспределения [5, 6]. Это поставило дизелестроителей перед необходимостью создания новых типов топливных систем, в которых перемещение плунжера топливного насоса не связано жестко с фазами подачи топлива. Основные развиваемые направления топливных систем высокого давления – это аккумуляторная система, применяемая фирмой WARTSILA, и система непосредственного действия с гидроприводом топливного насоса, используемая фирмой MAN-B&W. Для сравнения численных характеристик автоматизированных систем управления (АСУ) подачей топлива из всего многообразия двигателей нами выбраны двигатели WARTSILA 12RT-Flex96C и MAN-B&W 12K98ME, обладающие сходными конструктивными параметрами и одинаковой номинальной мощностью (табл. 1). Таблица 1 Сравнительная характеристика АСУ подачей топлива фирм MAN-B&W и WARTSILA Параметр MAN-B&W WARTSILA Возможность изменения давления топлива перед форсункой в течение цикла подачи топлива Есть Нет Возможность отключения отдельных форсунок на режимах малого хода Нет Есть Приводная мощность топливных и масляных насосов, приводимых в действие от двигателя Масляные ≈ 3100 кВт. Топливные – нет Масляные ≈ 500 кВт. Топливные ≈ 500 кВт Перемещение исполнительного органа подачи топлива Плунжер ТНВД – 5…15 см Золотник БУПТ – 4 мм Количество аккумуляторов 1 3 Анализ описанных АСУ подачей топлива показывает, что обе системы используют гидропривод исполнительного органа, позволяя получать большие перестановочные усилия и высокое быстродействие. Так, в системе фирмы WARTSILA применяются соленоидные клапаны, которые обеспечивают только два положения исполнительного органа и не позволяют изменять давление топлива в течение цикла, тем самым ограничивая количество применяемых законов подачи топлива. При этом отбор мощности топливными и масляными насосами не превышает 1,47 % мощности двигателя. В свою очередь, АСУ подачей топлива, разработанная фирмой MAN-B&W, позволяет задать любую форму закона подачи топлива, оптимизируя рабочий процесс дизеля для работы на различных режимах и в различных условиях, но при этом отбор мощности масляными насосами от двигателя достигает 4,55 % его номинальной мощности. Таким образом, дальнейшее повышение эффективности АСУ подачей топлива, как вариант, возможно за счет усовершенствования исполнительного механизма путем исключения гидропривода. Для дальнейшего исследования выбрана АСУ фирмы WARTSILA, т. к. она обладает возможностью отдельного отключения форсунок и меньшей энергоемкостью в отличие от АСУ фирмы MAN-B&W. Анализ существующих типов исполнительных механизмов показал, что возможности совершенствования исполнительных механизмов электромагнитного типа в конструкторско-технологическом направлении в настоящее время практически исчерпаны, т. е. перспективы в их применении отсутствуют. Именно поэтому очевидна актуальность разработки систем управления с исполнительными механизмами на базе новых физических принципов. В качестве такого исполнительного механизма было предложено использовать наборные столбы пьезоэлектрических шайб, отличающиеся высоким развиваемым усилием и быстродействием, но небольшими величинами перемещения. Для получения необходимой величины перемещения была разработана конструкция привода (рис. 1), сочетающего в себе пьезопривод и гидравлику [7]. Для оценки работоспособности такой конструкции нами была составлена структурная схема и получена математическая модель пьезоэлектрического привода. Для расчета момента пьезоэлектрического манипулятора было произведено уточнение геометрических размеров воспринимающего поршня блока управления подачи топлива в цилиндр. Диаметр составляет dш = 28 мм, а его ход h = 4 мм. Давление масла управления P в использующейся гидравлической системе 20 МПа. Площадь поперечного сечения, м2, . Усилие, которое необходимо приложить, Н, . Перемещение меньшего поршня на 4 мм изменит объем полости масла на см3. Следовательно, изменение объема V2 полости масла под большим поршнем должно быть таким же. Ход поршня большего диаметра зададим 0,18 мм, диаметр ведущего гидроцилиндрасм, тогда площадь поперечного сечения цилиндра большего диаметра см2. Сила, которую необходимо приложить к поршню большего диаметра, Н. Рис. 1. Конструкция блока управления подачей топлива в цилиндр с пьезоприводом: 1 – блок управления подачей топлива; 2 – основа; 3 – воспринимающий гидроцилиндр; 4 – задающий гидроцилиндр; 5 – наборный столб пьезоэлектрических шайб; 6 – пружина предварительного нагружения; 7 – датчик количества впрыснутого топлива; 8 – датчик положения коленчатого вала Для наборного столба пьезоэлектрических шайб модели P-056.90 (табл. 2) был выбран материал PIC 255 [8] с параметрами, приведенными в табл. 3. Таблица 2 Параметры наборного столба модели P-056.90 Параметр Значение Перемещение, м 180∙10-6 Диаметр, м 0,056 Длина, м 0,154 Усилие, Н 78 000 Электрическая ёмкость, Ф 2,7∙10-5 Частота резонанса, Гц 7 Таблица 3 Параметры пьезоэлектрического материала PIC 255 Параметр Значение Плотность, кг/м3 7 800 Относительная диэлектрическая проницаемость 1 750 Пьезомодуль, Кл/Н 400∙10-12 Коэффициент электромеханической связи 0,69 Модуль Юнга, Н/м2 10∙1010 Механическая добротность 80 Сопротивление, Ом 50 Коэффициент демпфирования, кг/см2 8,9∙10-3 Коэффициент упругости Kу равен 1,599∙109 Н/м, коэффициенты прямого и обратного пьезоэффекта Kп и Kо равны 49,235 Н/В, масса наборного столба m равна 2,96 кг. На рис. 2 представлена структурная схема блока управления подачи топлива с пьезоприводом, которая составлена на основе структурной схемы активного упругого компенсатора [9], выполненного из пьезоэлектрического материала. Рис. 2. Модель блока управления подачей топлива в цилиндр с пьезоприводом: Uвх (p) – управляющее напряжение; Ko – коэффициент обратного пьезоэффекта; Kп – коэффициент прямого пьезоэффекта; Rвт – внутреннее сопротивление пьезостолба; С0 – емкость пьезостолба; mΣ – эквивалентная приведенная суммарная масса подвижных частей; Kус – коэффициент усиления воздействия пьезостолба; Kу – коэффициент упругости пьезостолба; Kд – коэффициент внутреннего демпфирования пьезостолба; Kж1 – коэффициент жесткости пружины предварительного нагружения; Kж2 – коэффициент жесткости пружины золотника Сворачивание структуры приводит к следующей передаточной функции пьезостолба с блоком управления подачей топлива, управляемого от источника ЭДС: ˙ При подстановке значений получим передаточную функцию следующего вида: . По полученной передаточной функции в среде MathCad можно получить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и реакцию на единичное ступенчатое воздействие (рис. 3, 4). Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика модели наборного столба пьезокерамических шайб Рис. 4. Реакция модели наборного столба пьезокерамических шайб на единичное ступенчатое воздействие Анализ зависимостей показал, что при использовании данной конструкции можно получить требуемое перемещение при необходимом усилии, не превысив современных требований по времени переходного процесса, которое составило 6 мс при требуемых 6,5 мс. Кроме того, линейность АЧХ в диапазоне от 0 до 100 Гц говорит о возможности использования данной конструкции на судовых дизелях с частотой вращения до 6 000 мин-1. Таким образом, применение пьезоэлектрического исполнительного механизма позволит уменьшить энергоемкость системы управления и расширить диапазон возможных законов подачи топлива, повышая энергетическую и экологическую эффективность двигателя. Сократятся также количество и емкость аккумуляторов.
1. Bunker price // MER (Marine engineers review). 2007. no. 5 (May). P. 21.
2. Bunker price // MER (Marine engineers review). 2012. no. 2 (February). P. 14.
3. International maritime organization / MARPOL. London: IMO Publishing, 2011: http://www.imo.org.
4. Voznickiy I. V. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoraniya / I. V. Voznickiy, A. S. Punda. M.: Morkniga, 2008. 470 s.
5. Voznickiy I. V. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoraniya / I. V. Voznickiy. M.: Morkniga, 2007. 284 s.
6. Pahomov Yu. A. Toplivo i toplivnye sistemy sudovyh dizeley / Yu. A. Pahomov, Yu. P. Korobkov, E. V. Dmitrievskiy, G. L. Vasil'ev; pod red. Yu. A. Pahomova. M.: TransLit, 2007. 469 s.
7. Sistema upravlіnnya podacheyu paliva «іntelektual'nogo» dviguna: pat. Ukrainy / Nіkol's'kiy V. V., Ozhenko Є. M. MPK (2009) G01N11/10. № 43426; Opubl. 10.08.2009, Byul. № 15.
8. Piezoelectric Ceramics, Piezo Actuators, Piezo Motors, PZT Ceramics, Piezo Assemblies, Piezo Transduser: http://www.piceramic.de.
9. Nikol'skiy A. A. Tochnye dvuhkanal'nye sledyaschie elektroprivody s p'ezokompensatorami: monogr. / A. A. Nikol'skiy. M.: Energoatomizdat, 1988. 160 s.
