2.1 Характеристики закритих форсунок з розпилювачами, які мають багато соплових отворів

Для аналізу протікання процесу впорскування палива крізь форсунку, а також для порівняльної оцінки форсунок Г.Г. Калиш запропонував оцінювати залежність між перепадами тиску в форсунці та витратою палива за одиницю часу. Цій залежності він дав назву – характеристика форсунки. Причому, окрім перепаду тисків вираховуються тиски в проміжних порожнинах розпилювача форсунки та переміщення її запірного органу.

Для закритої форсунки з гідравлічним керуванням голки (рис.2,а) рівняння для розрахунку характеристики мають наступний вид:

, (2.1)

, (2.2)

, (2.3)

де

.

Для конкретної конструкції форсунки, послідовно задаючи значеннями підйому голки визначають тиск та та витрату . Площа прохідного перерізу змінюється в залежності від . На (рис.1,б) побудована характеристика закритої форсунки. По мірі збільшення витрати тиск форсунці спочатку знижується до мінімального а потім збільшується, і криві тиску асимптотично наближаються. Крива являє собою параболічну залежність від (при умові, постійності коефіцієнту витрати ).

Кожна точка характеристики визначається з умови статичної рівноваги голки. Зниження тиску при збільшенні витрати є свідоцтвом про нестійкий режим роботи форсунки. Якщо витрата палива менше то впорскування буде перервним. При більшій витраті палива режим роботи форсунки буде стійким.

Характеристики дозволяють оцінити в залежності від витрати дроселювання потоку в перерізі між запірним конусом голки та сідлом (різниця тисків ), допустиме обмеження підйому голки, тиск палива перед розпилюючи ми отворами, зону нестійких режимів роботи форсунок. Але зроблені припущення при виводі рівнянь для розрахунку характеристики, а також прийняте роз приділення тиску між запірним конусом голки та сідлом корпусу розпилювача роблять розрахункові залежності досить наближеними. Важкість полягає і у виборі величин коефіцієнтів витрати дроселюючи перерізів. Формула не враховує також динамічних явищ та гідродинамічне тертя, яке виникає при переміщенні голки, які мають вплив на положення границі стійкої роботи форсунки.

Характеристики використовувалися для аналізу протікання процесу впорскування і оцінювання форсунок в той період, коли розрахунок процесу впорскування був наближеним і основні параметри паливоподачі підбиралися експериментальним шляхом. В зв’язку з розробкою уточнених методик розрахунку процесу паливоподачі, практичне значення характеристик форсунок зменшилося. Більш важливим є оцінка втрат напору в дроселюючих перерізах форсунки в залежності від положення регулюючого органу та умов витоку палива. залежність сумарного ефективного перерізу розпилювача форсунки від положення голки носить назву гідравлічної характеристики.

2.2 Гідравлічні характеристики закритих форсунок

Ефективний прохідний переріз закритих багато соплових розпилювачів розглядають як суму двох послідовно з’єднаних перерізів, один з яких – ефективний переріз соплових отворів, а другий – змінний, який залежить від положення голки розпилювача, ефективний переріз між запірними конусами голки та сідлом. Зв’язок між ними та сумарним ефективним перерізом розпилювача знаходиться з рівняння витрати. Означивши сумарний прохідний переріз форсунки , і нехтуючи швидкістю потоку в центральному каналі (колодці) перед сопловими отворами, напишемо рівняння витрати палива крізь форсунку і кожний дроселюючий переріз та :

, (2.4)

, (2.5)

, (2.6)

Усі три значення витрат рівні між собою з умови нерозривності потоку. Це дозволяє отримати наступну залежність:

, (2.7)

Коефіцієнти витрати дроселюю чого перерізу, як відомо, є добуток коефіцієнта стискання потоку на коефіцієнт швидкості, тобто:

;

де ; - коефіцієнт втрат напору.

При оцінюванні коефіцієнту витрати каналів коефіцієнт швидкості:

.

Потік палива рухається по зазору (щілині) між запірними конусами, виходить в колодязь та рухається по ньому до соплових каналів. При русі потоку змінюється як швидкість так і напрямок його руху. При цьому, як видно з рівняння (2.5), коефіцієнт витрати відносять до перепаду тиску до і після дроселюю чого перерізу, а за переріз потоку приймають величину , де тиск відрізняється від . Тому, коефіцієнт витрати в формулі (2.5) є умовним і не відповідає за фізичним смислом загальноприйнятому в гідравліці поняттю коефіцієнта дроселюю чого перерізу.

Розглянемо втрати напору в дроселюючих перерізах розпилювача (рис. 2.1). Для спрощення задачі розглядається розпилювач з одним сопловим отвором. Означимо швидкість потоку в перерізі через в перерізі через і на виході з соплових отворів . З сумісного рішення рівняння Бернуллі для перерізів І-І та ІІ-ІІ; ІІ-ІІ та ІІІ-ІІІ, а також ІІІ-ІІІ та ІV-IV отримаємо:

(2.8)

Де - коефіцієнт витрат на ділянці від входу в переріз між запірними конусами до перерізу ; - теж в соплових каналах розпилювача.

Видно, що повний перепад тисків витрачається на створення динамічного напору палива на виході з соплових отворів і на подолання опорів в перерізах між запірними конусами, в колодці та соплових каналах розпилювача. Якщо усі втрати віднести до швидкості , легко отримати загальний коефіцієнт витрати розпилювача, віднесений до вихідного перерізу соплових отворів, але більш важливим є оцінка коефіцієнтів витрати кожного дроселюючого перерізу.

Рисунок 2.1 – Розрахункова схема розпилювача

Додамо до правої частини попередньої рівності величини та та віднімемо їх. Тоді:

. (2.9)

Визначимо з рівняння (2.4) загальний перепад тисків та замінимо швидкості потоку співвідношеннями , де - коефіцієнти стиску потоку в перерізах . Витрати та рівні між собою з умов нерозривності потоку. Після деяких перетворень отримаємо:

. (2.10)

В цьому виразі коефіцієнти витрати дроселюючих перерізів:

відповідають прийнятим в гідравліці поняттям.

При переміщенні голки змінюється не тільки прохідна площа між запірними конусами, але можуть змінюватися і умови руху рідини. З-за відсутності значень коефіцієнтів втрат неможливо визначити коефіцієнти витрати розрахунковим шляхом. Експериментально визначити деякі коефіцієнти витрати і стиску потоку, які входять у вираз (2.10), важко. Тому доцільно розглядати переріз між запірними конусами разом з колодязем.

З одночасного рішення рівнянь Бернуллі для перерізів І-І та ІІІ-ІІІ, а також для перерізів ІІІ-ІІІ та IV-IV отримаємо:

, (2.11)

де ; - коефіцієнт втрати в перерізах між конусами голки та сідла та в перерізі колодязю; тобто на ділянці від перерізу І-І до перерізу ІІІ – ІІІ.

В гідравліці часто розглядають коефіцієнт витрати складних дроселюючи перерізів саме в такому вигляді, відносячи всі втрати швидкості на виході. Значення коефіцієнтів витрати у виразі (2.11) є вірними з точки зору прийнятих в гідравліці понять та їх величини досить просто визначаються експериментально. Але цей вираз важко використовувати для аналізу впливу конструктивних параметрів розпилювача на дроселювання потоку, так як і зміна прохідної площі в перерізі між запірними конусами по мірі підіймання голки, та зміна втрат входять у величину .

З розгляду видно, що для зручності доцільно використовувати вираз (2.7) з умовним коефіцієнтом витрати . В цьому випадку всі втрати напору в щілині між запірними конусами та в колодязі віднесені до мінімального перерізу .

Дослідження И.А. Мичкина [12] показують, що на шляху від входу в розпилювач до об’єму камери можуть мати місце істотні втрати тиску. Замінимо всі можливі місця дроселювання потоку на цій ділянці еквівалентним дроселюючим перерізом . В цьому випадку ефективний прохідний переріз необхідно розглядати як три послідовно з’єднані дроселюючі перерізи два з яких та постійні і один змінний , залежать від положення голки. Сумарну залежність між сумарним ефективним та трьома дроселюючи ми перерізами можна отримати у вигляді:

, (2.12)

Цей вираз є основним при дослідженні та розрахунку розпилювачів.

Експериментальне визначення гідравлічних характеристик та коефіцієнтів витрати дроселюючих перерізів ведуть, як правило, на сталих витратах, тобто при стаціонарному витоку рідини.

В роботах [13,14,15] досліджуючи особливості витоку рідини крізь жиклери, відмічають, що коефіцієнт витрату дроселюю чого перерізу істотно залежить не тільки від перепаду тисків до і після цього перерізу, але і від противотиску на виході з нього. Коефіцієнт витрати дроселюю чого перерізу при постійному перепаді тиску може при підвищенні протитиску підвищуватися на 20 – 25%.

Найбільш точні дослідження провів Б.Н. Сиов [14], який досліджував виток рідини крізь дроселюючи перерізи різної форми в середовище з протитиском. Він встановив, що при певних умовах в даних перерізах внаслідок стискання потоку між стінкою та стисненим перерізом струменю утворюється зона зниженого тиску. Витрати рідини крізь дроселюючий переріз і цьому випадку визначається не зовнішнім перепадом тиску до і після нього, а перепадом тисків до і всередині цього перерізу.

Дослідження Б.Н. Сиова показали, що замкнута кільцева зона пониженого тиску може виникати тільки при певних умовах (при певних швидкостях та характері зміни швидкості, в залежності від конструктивних параметрів дроселюю чого перерізу). В деяких випадках може виникати зрив цієї зони, і тоді тиск на виході з отвору і всередині нього вирівнюється.

На рис (2.2а) наведені гідравлічні характеристики, зняті при одному і тому ж перепаді тиску до і після розпилювача. Характеристика 1 отримана при впорскуванні в атмосферу. На рис (2.2б) для цього ж розпилювача побудовані залежності ефективного перерізу від числа кавітації при різних величинах піднімання голки, отримані при одному і тому ж перепаді тиску. Залежності показують, що максимальний ефективний переріз розпилювача, отриманий при витоку в середовище з протитиском, зростає в порівнянні з ефективним перерізом, отриманим при витоку в атмосферу, майже на 25%.

а – переміщення голки; б – числа кавітації; 1- К=40; 2 – К=1;3 - =0,07 мм; 4 - = 0,15 мм; 5 - = 0,23 мм; б – без голки.

Рисунок 2.2 - Зміна ефективного прохідного перерізу розпилювача