dis_volkova_l_yu

61

2.Методика расчета процесса впрыска топлива в дизелях

2.1.Определение величины давления над иглой в замкнутой полости

форсунки

На рисунке 2.1 приведена принципиальная схема топливной системы теп-

ловоза с дизелем 16ЧН 26/26, надежность и долговечность которой зависит от технического состояния насосов высокого давления 6 и форсунок 7.

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема топливной системы тепловоза:

1 – топливный бак; 2 – фильтр грубой очистки топлива; 3 топливоподкачива-

ющий насос; 4 – фильтры тонкой очистки топлива; 5 – топливный коллектор; 6

– топливные насосы высокого давления; 7 – форсунки; 8 предохранительный клапан; 9 – перепускной клапан; 10 – подогреватель топлива

На рисунке 2.2 показана расчетная схема топливной аппаратуры дизеля с механическим приводом насоса высокого давления, дозированием топлива от-

сечкой в конце подачи [46]. В штуцере насоса установлен нагнетательный кла-

пан 3 с разгрузочным пояском. Возможно применение нагнетательных клапа-

нов цилиндрического типа (форма стакана). Форсунка имеет замкнутую по-

лость над иглой распылителя. Подъём иглы 8 происходит под действием давле-

62

ния топлива, создаваемого плунжером 1 насоса высокого давления, а ее посадка на седло осуществляется под действием пружины 9. Насос соединен с форсун-

кой топливопроводом 6.

Рисунок 2.2 – Схема топливной аппаратуры дизеля

При нахождении плунжера 1 в нижнем положении топливо под давлением

Рвс = 0,2–0,3 МПа, создаваемым подкачивающим насосом, заполняет надплун-

жерное пространство Vн. При движении плунжера вверх под действием кулачка и закрытии впускного окна 2 топливо сжимается в объеме над плунжером Vн , и

давление Рн повышается.

Нагнетательный клапан 3 поднимается, преодолевая силу пружины 4. В

штуцере 5 объемом V/н давление Р/н увеличивается. Прямая волна давления

F(t – x/a) со скоростью звука a под давлением Рф поступает по трубопроводу 6

в объем Vф форсунки 7. Когда давление в полости форсунки будет больше дав-

ления открытия иглы 8, она поднимается, топливо под давлением Рc поступает к сопловым отверстиям и подается в распыленном виде в камеру сгорания.

Давление подъема иглы 8 зависит от силы пружины 9, которая изменяется при помощи регулировочного винта или толщины прокладок. Подача топлива продолжается до тех пор, пока не откроется отсечное окно 10. При отсечке вин-

63

товая канавка своей кромкой 11 открывает окно 10 и сжатое топливо из объема над плунжером перетекает по сообщающимся вертикальному 12 и горизон-

тальному 13 каналам в линию всасывания.

Обратная волна давления W(t + x/a) движется от форсунки 7 к штуцеру 5

насоса. При посадке клапана 3 на седло при помощи пояска идет разгрузка ли-

нии высокого давления на величину 60 – 100 мм3. Это снижает амплитуду по-

вторной прямой волны давления и возможное появление дополнительных впрысков топлива. Дозирование топлива (регулирование) происходит путем поворота плунжера 1. При повороте плунжера изменяется положение кромки

11 относительно отсечного окна 10 и таким образом регулируется активный ход плунжера.

Главным узлом, влияющим на рабочие показатели топливной системы, яв-

ляется форсунка. Основным элементом форсунки является распылитель, рабо-

тоспособность которого зависит от величины хода и подвижности иглы, зазора в паре «игла – корпус распылителя», давления открытия, герметичности поса-

дочного конуса, изменения проходных сечений сопловых отверстий. Инфор-

мацию о состоянии форсунки можно получить по анализу хода иглы.

В момент подъема иглы 8 (см. рисунок 2.2) в замкнутой полости корпуса 7

форсунки (где расположена пружина 9), заполненной топливом, давление по-

вышается. Изменение давления в замкнутой полости форсунки зависит от хода иглы и определяется выражением

где Ри – давление, создаваемое насосным ходом иглы в замкнутом объеме фор-

сунки VЗ; αт – коэффициент сжимаемости топлива; Vи – объем топлива, вы-

тесняемый при движении иглы.

На рисунке 2.3 приведены осциллограммы процесса впрыска топлива, за-

фиксированные при работе двигателя Д-440 (4ЧН 13/14, Алтайдизель) на номи-

нальном режиме с частотой вращения вала насоса 875 мин-1 и цикловой подаче

64

103 мм3. Датчик давления был герметично установлен в линию слива утечек топлива из форсунки и над иглой образовался замкнутый объем [49].

На представленных осциллограммах показаны: отметка времени 1, давле-

ние топлива на входе в форсунку 2, ход нагнетательного клапана 3, давление в замкнутом объеме форсунки 4 (полости пружины), ход иглы 5, давление перед сопловыми отверстиями 6.

Ход иглы фиксировался индуктивным датчиком, расположенным между корпусом распылителя и корпусом форсунки [48]. Давление в замкнутой поло-

сти форсунки записывалось тензометрическим датчиком давления [50]. Срав-

нение осциллограмм изменения давления в замкнутом объеме форсунки 4 и хо-

да иглы 5 показало их идентичность (подобие). Начало повышения давления в полости форсунки и начало подъема иглы совпадают, погрешность измерения не превышает 5 %.

Рисунок 2.3 – Осциллограммы процесса впрыска топлива:

1 – отметка времени 0,001 с; 2 – давление на входе в форсунку;

3 – ход нагнетательного клапана; 4 давление в замкнутой полости форсунки; 5 – ход иглы; 6 – давление перед сопловыми отверстиями

Таким образом, закономерность движения (хода) иглы распылителя

можно определить при помощи датчика давления, установленного в дре-

65

нажную магистраль, что очень важно для форсунок, не имеющих встроен-

ных датчиков для записи хода иглы.

При расчете процесса впрыска топлива важно знать не только величину давления на входе в форсунку, перед сопловыми отверстиями, ход иглы, но и давление в полости пружины при работе ее с замкнутым объемом над иглой.

Одним из направлений сокращения времени при подборе элементов ТА дизелей является внедрение в инженерную практику расчетно-теоретических методов исследований и доводки. Расчет процесса топливоподачи является важным этапом проектирования и исследования системы.

Если экспериментальные и расчетные исследования подтвердят, что рас-

четное значение хода иглы и диаграмма изменения давления в замкнутой поло-

сти корпуса форсунки подобны друг другу, это дает право записывать ход иглы при диагностировании форсунки датчиком давления, установленным в линии слива утечек топлива.

2.2.Гидродинамический расчет процесса впрыска топлива в дизелях

сопределением давления в объеме над иглой форсунки

Современные методы расчета базируются на статической или динамиче-

ской теории. Статическая теория, учитывающая сжимаемость, но пренебрега-

ющая волновым характером происходящих процессов, дает хорошее совпаде-

ние расчетных значений с опытными данными только в системах без нагнета-

тельных трубопроводов (насос–форсунка).

Динамическая теория процесса топливоподачи учитывает влияние других продольных колебаний топлива в трубопроводах и является более общей, по-

скольку волновые явления в той или иной мере присущи всем системам топли-

воподачи. В основу расчета положена теория гидравлического удара, разрабо-

танная Н.Е. Жуковским [51]. Согласно этой теории поток считается одномер-

ным, а топливо – сжимаемой жидкостью. Наиболее законченный вид эта теория получила в трудах проф. И.В. Астахова [52, 53, 54], проф. Ю.Я. Фомина

67

где х – текущая координата по длине топливопровода; K – фактор гидравличе-

ского сопротивления; t – время; U – скорость топлива; а – скорость звука в топливе; – плотность топлива; Р – давление топлива.

Первое уравнение системы (2.5) является уравнением движения, представ-

ляющим собой выражение закона сохранения импульса для одномерного не-

установившегося движения вязкой жидкости. Первый член уравнения движе-

ния dpdx описывает силу, которую создает давление топлива, действующее на границах элементарного объема длиною dx . Первый член уравнения dpdx

имеет размерность (единицу величины) Н/м3, что говорит о том, что это сила,

отнесенная к единице объема топлива.

Второй член уравнения движения dUdt – сила инерции (произведение массы и ускорения), также отнесенная к единице объема (Н/м3).

Третий член уравнения является результатом преобразования тех членов уравнения движения вязкой жидкости (уравнения Навье – Стокса), которое учитывает трение от вязкости топлива путем введения независимого от време-

ни фактора гидравлического сопротивления K (размерность 1/с). Таким обра-

зом, третий член уравнения движения описывает силу гидравлического трения,

отнесенную к единице объема. Размерность этого члена уравнения также сводится к Н/м3.

Второе уравнение системы (2.5) является уравнением неразрывности, от-

ражающим закон сохранения массы вещества. Для понимания физического смысла умножим оба члена уравнения на площадь топливопровода fТ . Тогда

первый член уравнения неразрывности dUdx fТ будет описывать разность в объемных расходах топлива на границах элементарного объема в относитель-