2556
.pdf
Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие
При подаче напряжения на катушку электромагнита по ее проводам потечет ток, создавая магнитное поле. Под действием магнитного поля якорь 13 будет притянут к сердечнику 18, сжимая пружину 17. Шариковый клапан 12 откроется, и топливо через перепускное отверстие будет вытекать из камеры управления, снижая давление над управляющим поршнем (плунжером) 10. Усилие со стороны управляющего поршня резко уменьшится.
Так как давление топлива под иглой не изменяется (оно равно давлению в аккумуляторе), то игла 2 под действием высокого давления переместится в верхнее положение и откроет доступ к сопловым отверстиям, обеспечивая начало впрыска топлива. Впрыск продолжается до тех пор, пока подается напряжение на катушку 16 электромагнита. При отключении напряжения магнитное поле катушки исчезнет, а пружина 17, разжимаясь, закроет клапан 12. Подача топлива в камеру сгорания двигателя прекратится.
При подаче напряжения на катушку электромагнита по ее проводам потечет ток, создавая магнитное поле. Под действием магнитного поля якорь 13 будет притянут к сердечнику 18, сжимая пружину 17. Шариковый клапан 12 откроется, и топливо через сливное отверстие (жиклёр) 11 будет вытекать из камеры управления, снижая давление над управляющим поршнем (плунжером) 10. Усилие со стороны управляющего поршня резко уменьшится.
На рис. 6.7 приведены диаграммы подвижных и неподвижных деталей форсунки с электрогидравлическим управлением хода иглы распылителя.
Рис. 6.7. Диаграммы при работе форсунки с электрогидравлическим управлением хода иглы распылителя
~100 ~
Раздел первый. Системы подачи топлива дизелей
6.2.Основы расчета форсунки
сэлектрогидравлическим управлением
Управляющий поршень 10 (см. рис. 6.6) имеет наружный диаметр 4,3 мм, его площадь будет равна (Sп = 14,5 мм2). Поршень входит с диаметральным зазором 2 − 4 мкм во втулку 9, образуя прецизионную пару. Уплотнение поршня 10 и отверстие во втулке 9 выполняются плоской поверхностью или в виде конуса с диаметром 1,5 мм (Sк =1,8 мм2).
Игла 2 распылителя форсунки имеет наружный диаметр 4 мм (Sи = 12,5 мм2), диаметр внешнего посадочного конуса иглы равен 2,2 мм (Sпк = 3,8 мм2). Дифференциальная площадка иглы Sдиф, на которую действует давление топлива до ее подъема, равна 8,7 мм2. Давление на входе в форсунку 110 МПа. Есть системы подачи топлива, у которых давление в аккумуляторе достигает 150 − 200 МПа. Ход иглы У равен 0,2 мм, в процессе эксплуатации топливной аппаратуры он увеличивается. Объем камеры управленияпринят 30мм3,максимальное рабочее давление вней 100МПа.
В табл. 6.1 приведены расчетные значения сил, которые действуют до начала впрыска со стороны управляющего поршня 10 (штока) и со стороны дифференциальной площадки иглы 2. Сила со стороны поршня Fп и со стороны иглы Fдиф определялась как произведение величины давления на площадь.
Из анализа табл. 6.1 следует, что при давлении в камере управления 66 МПа силы от давления топлива, действующие на шток и иглу, выравниваются. При давлении менее 40 МПа над поршнем, дополнительно преодолевая силы инерции, игла открывается. При подъеме иглы на 0,2 мм за время 1,25 ·10-4 (1,50) ее скорость достигает 1,6 м/с, а ускорение будет равно 12 800 м/с2. При массе подвижных частей, равных 15 г, сила инерции составит 192 Н.
|
|
|
|
|
Таблица 6.1 |
Расчетные значения сил со стороны управляющего поршня и иглы |
|||||
|
|
|
|
|
|
Рп, МПа |
Fп, Н |
Fдиф, Н |
F, Н |
У, мм |
Sдиф , мм2 |
|
|
|
|
|
|
100 |
1450 |
957 |
-493 |
0 |
8,7 |
90 |
1305 |
957 |
-348 |
0 |
8,7 |
80 |
1160 |
957 |
-203 |
0 |
8,7 |
70 |
1015 |
957 |
-58 |
0 |
8,7 |
66 |
957 |
957 |
0 |
0 |
8,7 |
50 |
725 |
957 |
+232 |
0 |
8,7 |
40 |
580 |
957 |
+378 |
0,1 |
12,5 (Sи) |
~101 ~
Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие
При подъеме иглы давление топлива воздействует на всё её поперечное сечение. Под действием большой по величине подъемной силы игла мгновенно поднимается. Под давлением 110 МПа топливо подается в камеру сгорания при полностью открытых сопловых отверстиях. При учете противодавления в цилиндре (например, 5 МПа) перепад давления при впрыске топлива составит 105 МПа. Количество впрыскиваемого топлива зависит от эффективного проходного сечения распылителя форсунки (например, 0,15 мм2), перепада давления и времени открытия иглы.
Объемную теоретическую подачу топлива из распылителя за впрыск (цикловую подачу, м3) можно определить из выражения
q F t F |
|
2 Р |
t, |
(6.1) |
||
|
|
|||||
ц |
Т |
|
|
Т |
|
|
|
|
|
|
|
||
где F – эффективное проходное сечение распылителя, м2; |
– теорети- |
|||||
|
|
|
|
|
T |
|
ческая скорость истечения топлива, м/с; |
|
Р – средняя величина давления |
||||
топлива перед сопловыми отверстиями, |
Н/м2; ρТ – плотность топлива, |
|||||
кг/м3; t − время впрыска, с. |
|
|
|
|
|
|
При Р = 105·106 Н/м2 и |
ρТ = 850 кг/м3 величина = 497 м/c. Для |
|||||
|
|
|
|
|
T |
|
F = 0,15·10-6 м2 и времени впрыска 0,001 с количество поданного топ- |
||||||
лива за цикл (впрыск) составит 74·10-9 м3, |
или 74 мм3. |
|
||||
На рис. 6.8 показаны осциллограммы изменения давления над штоком управления 4, подъема иглы 3, ее скорости 2 и управляющего сигнала на обмотке электромагнита 1 [25].
Продолжительность подъема иглы форсунки вычисляется как время, прошедшее с момента подачи управляющего сигнала (момент открытия сливного отверстия) до момента, когда скорость иглы поменяет знак с положительного значения на отрицательное. При этом игла достигнет верхнего упора или будет совершать колебательные движения относительно некоторой позиции, близкой к максимальному подъему иглы. Продолжительность посадки иглы определяется как время, прошедшее с момента отключения управляющего сигнала (перекрытия сливного отверстия), до
момента посадки иглы на седло. |
|
|
|
|
|
||
Время впрыска t (с), |
продолжительность (град) зависят от коли- |
||||||
чества циклов подачи топлива в минуту (n) и связаны выражением |
|
||||||
|
|
|
6 n t. |
(6.2) |
|||
Откуда, например, |
t |
|
|
|
12 |
0,001с. |
|
|
|
|
|
||||
|
|
6 n |
6 2000 |
|
|||
|
|
|
~102 ~ |
|
|
||
Раздел первый. Системы подачи топлива дизелей
Рис. 6.8. Осциллограммы процесса впрыска топлива
взависимости от времени:
1изменение управляющего сигнала в обмотке электромагнитного клапана; 2 скорость движения иглы; 3 перемещение иглы
распылителя форсунки; 4 давление топлива над управляющим поршнем; I время от начала подачи управляющего сигнала
на обмотку электромагнита до начала подъема иглы; II время от начала
до полного подъема иглы; III время впрыска;
IV время от начала прекращения подачи управляющего сигнала
до начала посадки иглы; V время посадки иглы
Вбыстроходных дизелях с интенсивным процессом подачи топлива
вкамеру сгорания продолжительность впрыска основной порции топлива составляет 10 − 120.
Если диаметр управляющего поршня 4,3 мм, а его максимальный
ход 2 мм, то с учетом конструктивных соображений полный объем камеры управления составит примерно Vу = 30 мм3. Часть данного объема вытесняется управляющим поршнем и наполняется из аккумулятора. Известно, что когда клапан закрыт, давление в камере управления и аккумуляторе равны, но при открытии клапана давление в камере управления резко падает, так как предварительно сжатое топливо вытекает через отсечное отверстие.
Давление в камере управления определяется выражением
Pу = Vо /(αс·Vу), |
(6.3) |
~103 ~
Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие
где Ру – давление в объеме камеры управления Vу; αс – коэффициент сжимаемости топлива (6·10-10 м2/Н); Vо – объем топлива, вытекающий через отсечное отверстие.
В табл. 6.2 приведены расчетные данные для создания требуемого давления топлива в ограниченном объеме (камере управления) от величины сжатия V, в процентах.
Таблица 6.2
Изменение давления дизельного топлива от величины его сжатия в замкнутом объеме
Р, МПа |
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
150 |
200 |
250 |
V, % |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
7,5 |
10 |
12,5 |
Если уменьшить величину сжатого топлива (путем слива) на 4% (см. V = 5 и 1), находящегося под давлением 100 МПа в объеме 30 мм3, то давление снизится до 20 МПа. Топливо было сжато на 5% (см. табл. 6.2), а путем слива сжатие уменьшилось до 1%. На этом принципе уменьшается давление в полости управления и происходит подъем иглы под действием более высокого давления в аккумуляторе.
При подъеме поршня (штока) на 0,2 мм топливо вытесняется объемом 2,9 мм3. При диаметре отсечного отверстия 0,5 мм его площадь составит 0,196 мм2. При коэффициенте расхода 0,7 эффективное проходное сечение составит 0,14 мм2. Зная сечение штока (14,5 мм2), его среднюю скорость (0,8 м/с), эффективное проходное сечение отсечного жиклёра (0,14 мм2), используя уравнение постоянства расходов, определим скорость в канале отсечного жиклёра, которая составит 83 м/с.
Объемная подача топлива за впрыск зависит от величины давления в аккумуляторе 9 (см. рис. 6.2) и продолжительности управляющего сигнала в обмотке электромагнита 16 (см. рис. 6.6). Форсунка с электромагнитным управлением позволяет изменять угол опережения подачи топлива и форму характеристики впрыска.
На рис. 6.9 показана зависимость величины цикловой подачи от продолжительности впрыска в мс и в градусах от давления топлива в аккумуляторе.
Из анализа рис. 6.9 следует, что требуемое количество топлива за цикл можно подать в камеру сгорания при различных давлениях в аккумуляторе и длительностью сигнала на катушке управления (продолжительность впрыска). Управлять интенсивностью и формой характеристики впрыска можно величиной давления в аккумуляторе, длительностью и паузами сигнала, поданного на катушку форсунки с электрогидравличе-
~104 ~
Раздел первый. Системы подачи топлива дизелей
ским управлением движения иглы распылителя. На рис. 6.9 по оси абсцисс номерами 1, 2, 3 показаны время первой фазы впрыска (0,25 мс) при давлении в аккумуляторе 100 МПа, время паузы 2 (0,25 мс) и время второй (основной) фазы впрыска 3 продолжительностью 0,5 мс.
Рис. 6.9. Зависимость цикловой подачи топлива от давления в аккумуляторе и продолжительности впрыска
( F = 0,15 мм2, nц = 2000 мин-1)
При эффективном |
проходном сечении |
распылителя, равном |
||||
F = 0,15 мм2, и частоте циклов впрыска топлива |
nц = 2000 мин-1 для од- |
|||||
ного впрыска |
топлива |
продолжительностью |
120 |
(0,001 |
с) |
при |
РАК = 100 МПа |
теоретическая цикловая подача |
составит |
70 |
мм3 |
||
(см. рис. 6.9). При двухфазном впрыске (пауза на участке 2) запальная порция (участок 1) составит 18 мм3, а основная (участок 3) 35 мм3. Общая подача топлива за цикл составит 53 мм3.
На рис. 6.10 показана дифференциальная характеристика (однофазная) подачи топлива аккумуляторной системой с электромагнитным управлением иглы форсунки.
~105 ~
Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие
Рис. 6.10. Дифференциальная характеристика основной подачи топлива
Площадь под кривой в определенном масштабе представляет собой действительную подачу топлива за цикл (впрыск). Для продолжительности впрыска 0,001 с и средней скорости впрыскивания dV/dt, равной 47∙103 мм3/с, количество поданного топлива за цикл составит 47 мм3.
На рис. 6.11 приведена характеристика с запальной и основной подачей топлива (двухфазная характеристика).
Рис. 6.11. Дифференциальная характеристика дополнительной (запальной) и основной подачи топлива
~106 ~
Раздел первый. Системы подачи топлива дизелей
6.3. Расчет электрогидравлического клапана управления
ходом иглы распылителя
На рис. 6.12 показана схема клапанного узла (механизма управления) форсунки и силы, действующие на его детали.
Исходные данные для расчета:
Р – давление в камере управления, Р = 150 МПа (150· 106 Н/м2); d2 – диаметр перепускного отверстия (жиклёра), d2 = 0, 3 мм; C – жёсткость пружины, закрывающей клапан, C = 40 Н/мм;
n – число витков катушки электромагнита , n = 17; dс – наружный диаметр сердечника, dс =10 мм;
І – величина тока втягивания якоря электромагнита, І = 20 А; М – масса якоря 3,7 г, пружины 0,7 г, шарика 0,1 г; х – зазор между якорем и сердечником, х = 0,2 мм.
Рис. 6.12. Общий вид клапанного узла:
1 – пружина;
2 – сердечник электромагнита;
3 – катушка;
4– якорь;
5– направляющая;
6– шарик;
7– перепускное отверстие
Расчет клапана с гидравлическим и электромагнитным управлением выполним в следующей последовательности:
6.3.1. Определим площадь перепускного (сливного) отверстия
Sп = π × d2 |
2 / 4 = 3,14× 0,32 /4 = 0,07 мм2, или 0,7· 10-7 м2. (6.4) |
~107 ~
Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие
Шарик расположен на конической поверхности и прикасается с ней по окружности диаметром 0,5 мм. Площадь шарика, на которую действует топливо, будет равна 0,2· 10-6 м2.
6.3.2. Вычислим силу, действующую на запорный клапан (шарик),
от давления топлива в камере управления |
|
Fш = Sп × P = 0,2· 10-6 × 150· 106 = 30 Н. |
(6.5) |
6.3.3. Определим силу со стороны пружины, при ее предварительном сжатии l на величину 1,5 мм
Fпр = C × l = 40 × 1,5 = 60 Н. |
(6.6) |
Из анализа формул (6.6) и (6.5) следует, что усилие на пружине Fпр больше усилия, которое действует на шарик Fш со стороны топлива, и клапан будет закрыт, пока электромагнит не притянет якорь 4 и не сожмет пружину 1. Усилие электромагнита должно быть на 30 – 50% больше усилия со стороны сжатой пружины.
6.3.4. Втягивающую силу электромагнита без учета сил трения, магнитного сопротивления сердечника и якоря определим из выражения [27]
Fэл = μо × Sя × (І × n)2 / 2х2, |
(6.7) |
где μо – магнитная постоянная (абсолютная магнитная проницаемость), Гн/м; Sя – площадь сердечника с учетом отверстия для установки пружины, м2; І – величина тока, А; n – число витков катушки; х – зазор между якорем и сердечником, м (при зазоре 0,2 мм величина х = 0,2 10 -3 м).
Fэл = 4 π ·10 -7 × 0,7 ·10- 4 × (20 ·17)2 / 2 (0,2 ·10 -3 )2 = 127 Н. (6.8)
На рис. 6.13 приведена зависимость втягивающей силы электромагнита от числа витков катушки. Расчетные значения силы электромагнита получены при изменении числа витков катушки от 0 до 30, при величине тока 20 А, зазоре между якорем и сердечником 0,2 мм, диаметре медного провода 0,5 мм.
~108 ~
Раздел первый. Системы подачи топлива дизелей
Рис. 6.13. Зависимость втягивающей силы электромагнита от числа витков катушки
На рис. 6.14 показан разрез электромагнита, у которого катушка выполнена из медного провода диаметром 0,5 мм с числом витков 28.
Максимальная величина тока втягивания якоря электромагнита в цепи катушки достигает 19 – 20 А (начальная стадия процесса впрыска) [26]. Большое значение подводимого тока становится возможным благодаря разрядке конденсатора, который заряжается за период между впрысками до напряжения 70 В. В дальнейшем якорь электромагнита удерживается меньшей силой тока от 10 до 12 А в связи с тем, что величина воздушного зазора уменьшилась.
Рис. 6.14. Разрез катушки электромагнита
~109 ~