Кафедра «Теплотехника и автотракторные двигатели» | Выполнение этапа 1, 2015 год

Резюме проекта, выполняемого
в рамках ФЦП
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы»

по этапу №1

1.  Основные результаты проекта

1.1. Краткое описание основных полученных результатов (основные теоретические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности):

1.1.1. Проведены патентных исследований в области создания аккумуляторной топливной аппаратуры с электронным управлением. Цель патентного исследования заключалась в анализе существующих способов управления формой характеристики впрыскивания.

1.1.2. Подготовлен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР. Обоснован выбор и направления исследований в рамках ПНИЭР: на основании анализа патентов и научно-технической литературы предложен новый способ получения ступенчатой характеристики впрыскивания (рисунок 1). Способ заключается в установке в электрогидравлической форсунке двух промежуточных упоров 13 и 14 с дополнительными пружинами 15 и 16, один из которых установлен в управляющей камере 6, а второй - в полости управляющего клапана 2 с его пружиной 17 с возможностью обеспечения ограничения перемещения управляющего клапана и иглы 10 распылителя 4 на первом этапе впрыскивания. Заявленное техническое решение позволяет, используя сравнительно не сложную и недорогостоящую модернизацию электрогидравлической форсунки и микропроцессорной системы управления, формировать стабильную ступенчатую характеристику впрыскивания. По разработанному техническому решению подготовлена заявка на выдачу патента на изобретение «Электрогидравлическая форсунка для дизеля».

Рисунок 1 – Принципиальная схема электрогидравлической форсунки:

1 – корпус; 2 – управляющий клапан; 3 – электромагнит; 4 – распылитель; 5 – внутренняя полость распылителя; 6 – управляющая камера; 7 – наполнительный жиклер; 8 – сливной жиклер; 9 – пружина иглы распылителя; 10 – игла распылителя; 11, 12 – основные упоры; 13, 14 – промежуточные упоры; 15, 16 – дополнительные пружины; 17 – пружина управляющего клапана

1.1.3. Проведены теоретические исследования по проблемам проектирования, расчета, организации производства, испытаний, создания программ и средств управления работой топливной аппаратуры.

1.1.4. Проведение расчетно-теоретические исследования различных конструктивных решений элементов топливной аппаратуры с целью повышения ее эффективности, возможностей формирования и управления формой характеристики впрыскивания для вариантов топливной аппаратуры.

1.1.5. Разработан эскизный проект на важнейшие компоненты аккумуляторной топливной аппаратуры (топливного насоса высокого давления, электрогидравлических форсунок, аккумуляторов и арматуры).

1.1.6. Подготовлен полный комплект конструкторской документации для изготовления экспериментального образца аккумуляторной топливной аппаратуры.

1.1.7. Проведены дополнительные патентные исследования в области полученных технических решений и продукции, способных к правовой охране. Цель дополнительных патентных исследований – исследование патентоспособности предложенной конструкции электрогидравлической форсунки (ЭГФ) для формирования стабильной ступенчатой характеристики впрыскивания. Получены следующие результаты:

• исследование технического уровня разработок в исследуемой области техники и сравнение его с техническими характеристиками предлагаемой электрогидравлической форсунки (ЭГФ), показало, что предлагаемая ЭГФ обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленно применима, т.е. отвечает необходимым условиям патентоспособности;
• анализ технического уровня разработок в исследуемой области и сравнение его с разработанной конструкцией электрогидравлической форсунки для дизеля подтвердил, что предлагаемый вариант является новым техническим решением, которое ранее было неизвестно.

1.1.8. Оформлены документы по защите объекта интеллектуальной собственности:

• в Федеральное государственное бюджетное учреждение «Федеральный институт промышленной собственности» подана заявка № 2015151993 от 04.12.2015 г. на выдачу патента на изобретение «Электрогидравлическая форсунка для дизеля»;
• изобретение «Электрогидравлическая форсунка для дизеля» зарегистрирована в Единой государственной информационной системе учета результатов научно-исследовательских опытно-конструкторских технологических работ гражданского назначения, о чем получена информационная карта РИД с присвоением регистрационного номера 615121050001.

 

1.2. Основные характеристики полученных результатов (в целом и/или отдельных элементов), созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:

Основные технические характеристики разрабатываемой аккумуляторной топливной системы:

• максимальная цикловая подача топлива форсункой на режиме максимального крутящего момента – не более 3000 мм³/цикл;
• максимальная длительность впрыска на режиме номинальной мощности – не более 25…30 градусов поворота коленчатого вала;
• максимальное давление в аккумуляторе – не более 220 МПа;
• количество впрысков за цикл – не более 3;
• эффективность фильтрации фильтром линии низкого давления – не менее 83,5…97,3 % при 3…5 мкм;
• отношение максимального давления впрыскивания к давлению в аккумуляторе – от 0,92 до 1,1;
• абсолютное значение максимального давления в аккумуляторе – до 200 МПа;
• отношение цикловой порции расхода на управления форсункой к цикловой подачи: на номинальном режиме – не более 25…35 %, на холостом ходу и частичных режимах – не более 50 %;
• время срабатывания управляющего клапана на номинальном режиме – не хуже 0,35…0,5 мс;
• время срабатывания иглы форсунки на номинальном режиме, не более, 0,5…0,7 мс.
• возможность осуществления формируемого по наклону переднего фронта характеристики впрыскивания основного периода подачи.

 

1.3. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявших методик и решений:

Новизна научных решений заключается в разработке нового способа управления передним фронтом характеристики впрыскивания, разрабатываемом варианте конструкции электрогидравлической форсунки (рисунок 1).

 

1.4. Подтверждение соответствия полученных результатов требованиям к выполняемому проекту:

Основное требование к разрабатываемой топливной системе (ТС) заключается в:

• обеспечении высокого (до 200 МПа) максимального давления впрыскивания;
• снижение расхода топлива на управление работой электрогидравлической форсунки и мощности на привод топливной системы;
• формировании на отдельных режимах ступенчатой характеристики впрыскивания (управление передним фронтом основного впрыскивания).

Характерными особенностями разработанной конструкции электрогидравлической форсунки (рисунок 2) являются: встроенный аккумулятор и конструкция элементов сливного тракта позволяющая существенно снизить долю топлива расходуемого на управление.

a)

б)

Рисунок 2 – Электрогидравлическая форсунка:

а – общий вид; б – поперечный разрез; 1 – корпус распылителя; 2 – игла распылителя; 3 – пружина; 4 – клапан управления; 5 – гайка распылителя; 6 – корпус форсунки; 7 – топливный аккумулятор; 8 - клапан

 

Рост давления впрыскивания в аккумуляторных топливных системах требует изменения конструкции распылителя. Прогнозные расчеты показывают, что в распылителе традиционной конструкции максимальные концентрации напряжений от высокого давления топлива сосредоточены на поверхности топливного канала и в зоне его выхода в карман. Эта зона является особенно критичной для распылителя аккумуляторных топливных систем, поскольку в этой зоне постоянно действует высокое давление топлива. В распылителе новой конструкции «с плавающей втулкой» топливный канал отсутствует. Подвод топлива к распыливающим отверстиям осуществляется непосредственно вдоль всей поверхности иглы.

Схема предложенного варианта конструкции электрогидравлической форсунки для управления формой характеристики впрыскивания представлена на рисунке 1.

Выбранная конструкция (рисунок 3) топливного насоса высокого давления (радиально – плунжерный с тремя рядами секций по 2 секции в ряд, расположенные через 120°) обеспечивает равномерность загрузки приводного вала. Другим основополагающим принципом конструкции топливного насоса высокого давления (ТНВД) является то, что плунжеры приводятся в движение с помощью эксцентриков. Такой привод в сочетании с расположением секций через 120° обеспечивает равномерное распределение нагрузки по углу поворота вала ТНВД. Приведенные принципы конструкции ТНВД позволяют минимизировать затраты на привод до уровня приводов прочих вспомогательных агрегатов дизельного двигателя.

a)		б)
в)		г)

Рисунок 3 – Топливный насос высокого давления:

а – вид со стороны насоса низкого давления; б – вид со стороны привода топливного насоса; в – поперечный разрез; г – продольный разрез; 1 – клапан аварийного сброса; 2 – управляющий клапан; 3 – датчик давления; 4 – насос низкого давления; 5 – вал; 6 – плунжеры; 7 – эксцентриковый кулачок

 

1.5. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень:

Новизна предложенного способа управления характеристикой впрыскивания заключается в том, что в отличие от существующих технических решений разрабатываемый вариант конструкции электрогидравлической форсунки (рисунок 2) является более простым и недорогим. Причем, как показывают дополнительные патентные исследования существующего уровня отечественной и зарубежной техники, рассматриваемое решение ранее было неизвестно.

 

2. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

Заявка № 2015151993 от 04.12.2015 г. «Электрогидравлическая форсунка для дизеля», РФ.

 

3. Назначение и область применения результатов проекта

3.1. Описание областей применения полученных результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться или уже используются полученные результаты или созданная на их основе инновационная продукция):

Область применения разрабатываемой топливной аппаратуры аккумуляторного типа с управляемыми характеристиками впрыскивания – отечественное двигателестроение.

Организация научной базы для создания новых образцов аккумуляторных топливных систем с электронным управлением и их производства устраняет сложившуюся зависимость отечественного двигателестроения от импортных технологий и вызванных этим ограничений их применения, устанавливаемых зарубежными производителями.

 

3.2. Описание практического внедрения полученных результатов или перспектив их использования:

Область практического внедрения разрабатываемой топливной аппаратуры – среднеоборотные дизельные двигатели в мощностном диапазоне от 800 до 3000 кВт, применяемые в качестве энергетических установок для различных видов транспорта: железнодорожный, морской, самоходная техника.

 

3.3. Оценка или прогноз влияния полученных результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; разработка новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сфере. Оценка или прогноз влияния полученных результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечении развития материально-технической и информационной инфраструктуры:

Поскольку разрабатываемые отечественные конструкции аккумуляторной топливной аппаратуры с электронным управлением могут быть использованы как для установки на уже выпускаемые двигатели, так и для перспективных образцов – это открывает новые возможности по исследованию и доводке рабочих процессов дизельных двигателей отечественными инженерами и исследователями с целью скорейшего достижения международных экологических стандартов.

Выполнение существующих и ожидающих введения международных экологических стандартов, особенно Европейских и США, повышает конкурентоспособность нашей продукции на зарубежных рынках и способствует международному сотрудничеству.

 

3.4. Эффекты от внедрения результатов проекта

Импортозамещение. Анализ рынка потребления подтверждает растущий спрос на данную продукцию. По оценкам в ближайшее время объем производства в Российской Федерации среднеоборотных двигателей и потребность в соответствующих системах подачи топлива будет составлять до 4500 шт. В настоящее время отсутствие отечественного серийного производства компенсируется за счет импорта. Одним из наиболее актуальных вопросов является организация производства высококачественных отечественных топливных систем аккумуляторного типа на территории Российской Федерации, что позволит увеличить количество рабочих мест, повысит экономическую независимость страны.

Рост объема производства. По оценкам в 2015…2018 гг. ожидается стабильный рост объёма продаж среднеоборотных двигателей, укомплектованных указанными системами подачи топлива, составляющий на настоящее время не менее 4%, который будет расти в среднем на 12% в год. Прогноз объема производства среднеоборотных двигателей в РФ в 2016…2020 г.г. 950…1050 шт.

 

4. Формы и объемы коммерциализации результатов проекта

4.1. Существующие или возможные формы коммерциализации полученных результатов: разработанные эскизный проект и конструкторская документация на изготовление важнейших компонентов аккумуляторной топливной аппаратуры (топливного насоса высокого давления, электрогидравлических форсунок, аккумуляторов и арматуры) будут использоваться для ее производства и анализа при последующей доработке конструкции с целью повышения ее эффективности и конкурентоспособности по цене и надежности.

 

4.2. Описание видов новой и усовершенствованной продукции (услуги), которые могут быть созданы или уже созданы на основе полученных результатов интеллектуальной деятельности (РИД); предполагаемые или фактические рынки сбыта (с указанием сегмента, емкости и доли рынка и прогноза развития рынков сбыта на 5 лет), прогнозируемые или фактические объемы продаж на внутреннем и внешних рынка, предполагаемые сроки окупаемости:

Предложенный новый способ управления характеристикой впрыскивания (полученный в ходе выполнения работ РИД) основан на сравнительно не сложной и недорогостоящей модернизации электрогидравлических форсунок и микропроцессорной системы управления. Это обеспечивает взаимозаменяемость существующих конструкций топливных систем, устанавливамых на выпускаемых дизельных двигателях, разрабатываемой топливной аппаратуры аккумуляторного типа с управляемыми характеристиками впрыскивания, что способствует расширению предполагаемого ранка сбыта.

Основной рынок сбыта разрабатываемой топливной аппаратуры аккумуляторного типа – Россия. Прогноз объема производства отечественных среднеоборотных двигателей в 2016…2020 г.г. составляет 950 … 1050 шт. В качестве потенциальных потребителей разрабатываемой топливной аппаратуры рассматриваются ОАО «Звезда», ООО «Уральский дизель-моторный завод», ОАО «Пензадизельмаш», ОАО «Коломенский завод».

 

5. Наличие соисполнителей:

Общество с ограниченной ответственностью «Конструкторское бюро топливоподающие системы» (ООО «КБ ТС»).

 

АНАЛИТИЧЕСКАЯ СПРАВКА О ВЫПОЛНЕНИИ ПРОЕКТА

по Соглашению о предоставлении субсидии от "27" июля 2015 г. № 14.580.21.0002

 

I. ОТЧЁТ ОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИИ РАСХОДОВ, ИСТОЧНИКОМ ФИНАНСОВОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОТОРЫХ ЯВЛЯЕТСЯ СУБСИДИЯ

(за 12 месяцев 2015 года)

п/п	Наименование статей расходов	Объем средств субсидии на текущий 2015 год (тыс. руб.)	Фактические расходы за отчетный период (тыс. руб.)	Остаток средств субсидии (тыс. руб.)
1	2	3	4	5
1.	Оплата труда работников (включая расходы на оплату страховых взносов на ФОТ)	19750	19750	0
2.	Материалы	0	0	0
3.	Оборудование	0	0	0
4.	Оплата работ, выполняемых соисполнителями	14000	14000	0
5.	Прочие прямые расходы	0	0	0
6.	Накладные и общехозяйственные расходы	3750	3750	0
7.	Разрешенный к использованию остаток средств субсидии	0	0	0
8.	Остаток средств субсидии, подлежащий возврату	0	0	0
	Итого	37500	37500	0

 

 

II. ОТЧЁТ О ВЫПОЛНЕННЫХ В КВАРТАЛЕ РАБОТАХ
(за 12 месяцев 2015 года)

Описание результатов работ, выполненных (выполняемых) за счет средств субсидии

Все работы этапа 1 ПНИЭР выполнены в полном соответствии с Техническим заданием и Планом-графиком исполнения обязательств. Достигнуты все требуемые Техническим заданием результаты на этапе 1 ПНИЭР, основные из них:

• предложен оригинальный способ управления характеристикой впрыскивания – установка в электрогидравлической форсунке (ЭГФ) с электронным управлением двух промежуточных упоров с дополнительными пружинами, которая обеспечивает переменный ступенчатый фронт характеристики впрыскивания;
• расчетно подтверждена эффективность способа и подобраны параметры ЭГФ для его реализации;
• подготовлен комплект конструкторской документации для изготовления аккумуляторной топливной системы.

Описание результатов работ, выполненных (выполняемых) за счет внебюджетных средств

Работы, выполняемые за счет внебюджетных средств, не предусмотрены.

 

III. ОТЧЕТ О ДОСТИЖЕНИИ ЗНАЧЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РЕЗУЛЬТАТИВНОСТИ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ СУБСИДИИ
(за 12 месяцев 2015 года)

 

Справка к Отчету о выполнении требований по достижению значений показателей результативности предоставления субсидии № 14.580.21.0002 от 27 июля 2015 г.

Публикация по результатам выполнения проекта

 

Исследователи-участники проекта

 

Создание результата интеллектуальной деятельности в процессе выполнения проекта. Поданные заявки

 

Создание результата интеллектуальной деятельности в процессе выполнения проекта. Полученные охранные документы:

 

Создание результата интеллектуальной деятельности в процессе выполнения проекта. Сведения о закреплении прав и использовании объекта интеллектуальной собственности - за весь период реализации Соглашения о предоставлении субсидии

 

Проект прикладных научных исследований и экспериментальных разработок завершен. Проект готов к переходу в стадию опытно-конструкторских работ (опытно – технологических работ)

 

Диссертации на соискание ученых степеней, защищенных по результатам научных исследований и разработок

 

Мероприятие по демонстрации и популяризации результатов и достижений науки

 

Уникальные научные установки. Центры коллективного пользования. Объекты зарубежной инфраструктуры.
(внешнее использование)

 

Уникальные научные установки. Центры коллективного пользования.
(внутреннее использование)