ПЗ (Разработка тестера для определения технического состояния форсунок тепловозных дизелей Д49), страница 6

Умение решать конкретные задачи по топливоподаче является одним из решающих факторов, способствующих дальнейшему раз­витию единого метода расчета и исследования рабочего процесса дизеля, который охватывал бы впрыск, смесеобразование и сго­рание топлива в дизеле.

Современные методы расчета процесса топливоподачи бази­руются на статической или динамической теориях впрыска.

Статическая теория впрыска, рассматривающая топливо как невязкую сжимаемую жидкость и пренебрегающая волновым ха­рактером происходящих процессов, наибольшее развитие полу­чила в работах советских исследователей. На основе этой теории были получены критерии , характеризующие подобие про­цессов топливоподачи. В ряде случаев они позволяют определить возможность обеспечения заданных технических условий на топ­ливную аппаратуру за счет использования насосов и форсунок в пределах существующего типоразмерного ряда.

1. Основные физические положения

Изложение теории процесса впрыска топлива в конечном итоге сводится к составлению и решению обыкновенных дифферен­циальных уравнений (статическая теория) и уравнений в частных производных второго порядка (динамическая теория). При этом следует иметь в виду, что любые дифференциальные уравнения являются математической идеализацией' окружающей действи­тельности и эта идеализация производится прежде всего для того, чтобы упростить описание сложных физических явлений.

В принципе любой рассматриваемый физический процесс можно выразить математически различными способами, но важно выбрать наиболее правильный.

В анализе существует три критерия, которым должна удовле­творять правильно поставленная математическая задача. Во-первых, задача должна допускать решение (существование); во-вторых, решение должно быть единственным и, в-третьих, решение должно быть устойчивым.

Критерии существования и единственности в своей совокуп­ности определяют закономерность явлений причинной связью, т. е. при повторении экспериментов можно и следует ожидать совпадения результатов. Требование устойчивости решения нужно прежде всего потому, что в расчетных или экспериментальных дан­ных всегда содержится некоторая ошибка и, естественно, следует избегать того, чтобы эта ошибка вызывала слишком большую неточность в решении.

Примером уравнений, в которых в зависимости от количества учитываемых факторов определяется степень приближения к дей­ствительным физическим процессам, могут являться уравнения, описывающие процесс впрыска топлива в дизелях.

При анализе процесса впрыска топлива на основании уравне­ния расхода для несжимаемой или сжимаемой идеальной жид­кости мы имеем уравнения, которые только в первом приближе­нии отображают действительный характер процесса топливоподачи (статическая теория). Основным же преимуществом этих уравнений является математическая простота их решений и до­ведение их до конечных расчетных формул. Тем не менее статиче­ская теория дает возможность проследить влияние на про­цесс впрыска топлива основных параметров топливной аппара­туры.

3.2 Статический метод расчета процесса впрыска.

Рассмотрим методику расчета, разработанную в ЦНИДИ, применительно к наиболее распространенному типу топливной аппаратуры: насосу с жестким приводом топливовпрыскивающего плунжера, работающего в сочетании с закрытой форсункой с по­стоянным сечением сопловых отверстий.

Статический метод расчета базируется на следующих основных положениях: топливо считается сжимаемым, но коэффициент сжимаемости при расчете сохраняет постоянное значение; давле­ние и плотность во всех точках топливного потока на линии вы­сокого давления и в любой момент времени принимаются равными; распределительные органы открываются и закрываются мгновенно, т.е. в отверстиях втулки плунжера, нагнетательного клапана и распылителя дросселирование топлива не учитывается.[16]

На рисунке 3.1 представлена расчетная схема топливной системы.

Рисунок 3.1 Расчетная схема топливной системы

При статическом расчете процесс впрыска топлива разделяют на три последовательных этапа. На рис. VII. 1 приведена рас­четная схема.

Первый этап — предварительное повышение давления топлива в магистрали от торца плунжера до сопловых отверстий.

Этот этап начинается в момент закрытия всасывающих окон (сечение III—III) и заканчивается, когда давление в подыгольчатой полости форсунки достигает давления начала открытия иглы (сечение II—II).

Процесс топливоподачи описывается следующим расчетным уравнением:

, (3.1)

где – площадь плунжера;

– скорость плунжера;

- коэффицент сжимаемости дизельного топлива

– объём топлива в системе в начале первого этапа или средний объем топлива за этап.

(3.2)

где ;

;

При начальном условии

. (3.3)

По выражению (2) можно определить рост давления топлива в течение первого этапа в любой момент времени.

Поскольку по условию задачи подъем иглы форсунки происхо­дит мгновенно, то в силу высвобождения подыгольчатого объема, равного произведению площади поперечного сечения иглы f_u на величину ее подъема h_u, в системе нагнетания уменьшается давление топлива на величину

. (3.4)

На осциллограмме процесса впрыска топлива на диаграмме давлений имеется, как правило, характерный «провал», появляю­щийся вследствие отсасывающего действия иглы.

Второй этап — изменение давления топлива в системе в пе­риод всего процесса впрыска (нагнетания). Фактически он охваты­вает период от начала подъема иглы распылителя до конца подачи топлива насосом.

Этот этап процесса топливоподачи описывается уравнением объемного баланса на линии нагнетания

, (3.5)

где V – текущий объем топлива в системе (при расчете принимается постоянным и равным его среднему значению за период полезного хода плунжера );

- давление в цилиндре двигателя за период впрыска (при расчете принимается постоянным).

Рассматривая изменения скорости плунжера по линейной зависимости
и считая перемен­ными величинами только
представим уравнение (4) в виде однородного дифференциального уравнения 1-го порядка и путем двойной "замены переменных решим его.

Третий этап — свободное расширение. Этот этап начинается от момента прекращения подачи топлива насосом и продолжается до момента окончания истечения топлива из форсунки.

При посадке нагнетательного клапана, снабженного отсасы­вающим пояском, в системе высокого давления наступает паде­ние давления топлива. Величина этого падения может быть оценена выражением

, (3.6)

где — объем топлива между клапаном и сопловыми отверстиями;

— площадь и активный ход отсасывающего пояска клапана.

Если давление в нагнетательной системе сохраняется достаточно большим, то топливо может истекать, аккумулированное за счет сжимаемости в форсунке и трубопроводе, из распылителя. Исте­чение продолжается до тех пор, пока давление в системе не станет равным давлению закрытия иглы форсунки . Давление закрытия иглы

, (3.7)

где — дифференциальная площадь иглы.

Свободное расширение топлива характеризуется уравнением

, (3.8)

При решении которого

, (3.9)

где — время посадки нагнетательного клапана в седло;

— давление после посадки иглы;

— давление топлива в конце второго этапа.

Истечение топлива за счет аккумулирования потенциальной энергии удли­няет процесс впрыска и ухудшает его конечную фазу. С целью уменьшения этапа свободного расшире­ния следует стремиться выполнять линии высокого давления с минимальным объемом и подбирать та­кую величину отсасываю­щего пояска нагнетатель­ного клапана, чтобы при отсечке топлива напорная линия разгружалась пол­ностью.

При статическом расчете подъем иглы распылителя графически описывается в виде простого прямоугольника, а закон подачи топлива определяется расчетом по следующему уравнению:

. (3.10)

Точность расчета процесса топливоподачи в большой степени зависит от правильного выбора коэффициента сжимаемости топ­лива.

На рисунках 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 показан статический метод расчета процесса впрыска форсунки Д49.

Рисунок 3.2 – Статический метод расчета процесса впрыска форсунки Д49.

Исходные данные для расчета.

Рисунок 3.2– Первый этап – предварительное повышение давления топлива в магистрали от торца плунжера до сопловых отверстий.

Рисунок 3.4– Второй этап – изменение давления топлива в системе в период всего процесса впрыска (нагнетания)

Рисунок 3.5–Третий этап – свободное расширение

t,мс

Рисунок 3.6 Расчетная диаграмма давления в процессе впрыскивания топлива

4.РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНОГО И ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Изменение давления топлива в трубопроводе

При диагностировании топливной аппаратуры по указанным характеристикам анализ ее работоспособности прово­дят по осциллограммам процесса впрыскивания путем выделе­ния характерных участков. Наибольшую информативность обес­печивает закон изменения давления в трубопроводе у штуцера форсунки.

На рисунке 4.1 показано изменение давления топлива в трубопроводе.