Главная страница сайта  Российские промышленные издания (узловые агрегаты) 

1 ... 9 10 11 [ 12 ] 13 14 15 ... 20

анализом механизма привода или графическим дифференцированием кривой перемещения плунжера по углу поворота кулачка насоса по экспериментальным измерениям (фиг. 197), дающим производную .

Величины

rfS,

пл dt

И <: связаны уравнением

= (О.

dSr,

Продолжите/гьиость нагнетания

rfcp dt df 30 d<p

Количество топлива поступившего в цилиндр к определенному моменту времени tj исчисляется по соотношению

/0 0

где 0 - момент начала активного хода плунжера;

Sj - перемещение плунжера, отсчитанное от положения, соответствующего началу активного хода плунжера. По этому выражению может быть найден закон поступления топлива в цилиндр Фиг. 197. Закон движения плунжера {фиг. 198). В данном элементарном рассмотрении процесса этот закон определяется свойствами насоса.

Перепад давления р - р^, возникающий при протекании через форсунку количества топлива Q, зависит от свойств форсунки (гидравлического сопротивления совокупности дросселирующих сечений).

Если эти свойства заданы графической зависимостью (фиг. 199) перепада давления от секундного расхода топлива р -Pz = fiQa) (где р - давле-

Фиг. 198. Закон поступления топлива в цилиндр.

Фиг. 199. .Характеристика форсунки.

ние в корпусе форсунки до первого дросселирующего сечения, р^ - давление в цилиндре двигателя), то перепад давления в каждый момент времени можно определить, откладывая соответствующее данному моменту времени значение по абсциссе и отсчитывая значения р-р^ по ординате. В результате может быть получена зависимость перепада давления в форсунке по времени или углу поворота кулачка насоса.

При анализе протекания процесса впрыска даже в элементарном представлении выявляется значение связи между перепадом давления в форсунке и расходом топлива в единицу времени. Эта связь называется характеристикой форсунки. Обычно ее изображают в виде зависимости перепада давления от секундного расхода топлива. Дополнительно часто наносят зависимость подъема иглы и давления в промежуточных полостях форсунки от секундного расхода топлива.

§ 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ФОРСУНКИ

Расчетное определение характеристики форсунки

Штифтовую форсунку следует считать наиболее сложной из всех рассмотренных форсунок. Все другие типы форсунок можно рассматривать как частные, упрощенные виды штифтовой форсунки. Метод расчетного определения характеристики штифтовой форсунки с тем или иным упрощением может быть поэтому использован для расчета характеристики любой другой форсунки

Схема штифтовой форсунки изображена на фиг. 200. Принято, что в ней имеется k полостей (произвольное количество), каждая из которых лежит между двумя последовательно расположенными дросселирующими сечениями (кроме первой). Избыточные давления в этих полостях составляют соответственно Pi, р2, , Pf, . . . , Pk- Давление после последнего -го дросселирующего сечения равно (давление в среде, в которую производится впрыск). Величина последовательных дросселирующих сечений /г,---.

fi, . . . , f, и соответствующие им коэффициенты расхода V-1, V-, - - , V-,-, . . . , Vk-Величина каждого дросселирующего сечения зависит от подъема иглы х. Выводы делаются с допущением, что скорость топлива в каждом дросселирующем сечении полностью затрачивается на создание вихревых движений в последующей полости, а скорость по направлению потока в последней настолько мала, что ек> можно пренебречь. Так как инерция иглы в предыдущих выводах не принималась во внимание, иглу надо рассматривать для каждого положения в состоянии статического равновесия-

Условие статического равновесия иглы без учета ее веса выражается равенством

Фиг. 200. Схема штифтовой форсунки.

Фиг. 201. Образование полости, дросселирующих сечений и разделяющих диаметров штифта.

А-\-Вх =

Kd

(279)

где А - сила предварительной затяжки пружины; В - жесткость пружины.

Это условие отражает равенство усилия пружины усилию давления топлива на иглу в каждой из полостей и давления на выступающий торец иглы среды, в которую производится впрыск.

Под диаметрами dj, di, . . . , d, . . . , d, штифта понимаются меньшие диаметры поверхностей, образующих проходное дросселирующее ce4einie. Образование /-ой полости, ограничивающих ее дросселирующих сечений и диаметров штифта в поверхностях раздела последовательных полостей (на участке штифта, образованном двумя коническими поверхностями, сложенными меньшими основаниями) показано на фиг. 201. Диаметр d. в общем случае зависит от величины подъема иглы.

Вычитание уравнения равновесия, написанного для момента отрыва иглы от седла {х = О, Pj = Ро - давление открытия форсунки, Р2 = Рз- = =р, = . . . = Рд = р,).

А =Ро7Г

d ,-df

ИЗ уравнения (279) приводит к выражению

ctcP d -d

Bx {рг - Po) -1- + iPi - Рг)-

(280>

(281

К уравнению (281) присоединяется система уравнений, по которой перепад давления в каждом дросселирующем сечении по закону Бернулли определяется как функция секундного расхода топлива через форсунку и величины проходного сечения:

Pi P2-2g 2дЫ,)

Р2 - Рз

Pi+\

(282>

и уравнения, определяющие зависимость проходных сечений и разделяющих диаметров от подъема иглы х.

Попытка получить из этих уравнений характеристику форсунки в виде Pi = f (Яф) и X = f (Q) обычными алгебраическими методами путем последовательного исключения лишних неизвестных приводит в общем случае к уравнениям высших степени. Поэтому часто решение находят графоаналитическим методом. Аналитический расчет характеристики форсунки может быть выполнен, если характеристику представить в параметрической форме, используя подъем иглы в качестве параметра.

Перепад давления от произвольной полости до среды, в которую производится впрыск, определяется в результате почленного сложения уравнений системы (282), начиная от того уравнения, в котором давление в рассматриваемой полости входит уменьшаемым, до последнего

Pi-р.

(283)

а полный перепад давления в форсунке - в результате почленного сложения всех уравнений этой системы

-i2.

314 Процессы топливоподающей аппаратуры и смесеобразование в двигателях Следовательно, отношение перепадов

Pt-p, -

Рл-Рг ,

Pi - Pz- °i iPi - Pz)- (285)

Коэф1)ициент o может быть назван коэффициентом перепадов давления. При допущении постоянства коэффициентов расхода ji, коэффициент о, зависит только от подъема иглы и может быть подсчитай для любой полости и для .любого подъема иглы.

Если почленно разделить уравнение (281) на ти---и использовать

4В

соотношение (284) и обозначение b = -♦ уравнение принимает

вид

bx = {р, - Ро) -h (Р, - Р,) 2j ~ ~ ~ ~

+ Рг) 2

-где

(286)

di-df

Величина v,. - коэффициент диаметров - также зависит только от подъема иглы и может быть подсчитан для любой полости и любого подъема иглы.

Поэтому

г i=k ~\ i=k

bx р^ - р^ = -р^) 1--2

V.O,

= (Pi-P.)S .(287)

так как (v.op/i = Vjo, = 1.

Из выражения (287) может быть определен полный перепад давления для любой точки характеристики

(288)

;=:1

с учетом выражения (285) - перепад давления для любой полости

Pt-Pz-i tk~ (289)

Секундный расход топлива, согласно первому уравнению системы (Ж),

Pi - Jh = (Pi - p.) - (P2 - Рг) = 2=/ (1 - =2) .

следовательно.

Qg5 = \hU j/

±/(l-a,).

г Ьх + Pq-

(290)

С достаточной точностью можно принять, что

[iji = \j.i-diX sin or,

где dj - средний диаметр уплотняющего конуса иглы; а - угол при вершине этого конуса.

Выражения (289), (288) и (290) служат для определения давления и расхода топлива через форсунку для любой точки характеристики в зависимости от подъема иглы. Задавшись рядом значений подъема иглы, можно подсчитать по этим выражениям соответствующие им значения секундного расхода топлива и давлений во всех полостях форсунки и построить график характеристики форсунки.

Характеристика открытой форсунки

,В открытой форсунке запорного органа нет, поэтому уравнение (279) равновесия запорного органа отпадает. Из всех уравнений дросселирования (282) остается лишь одно, определяющее перепад давления в сопле

Р - Р,

Характеристика имеет вид параболы, вершина которой лежит на оси ординат. Ось параболы совпадает с осью ординат (фиг 202). Таким образом, перепад давления в форсунке сильно зависит от секундного расхода и при малых значениях последнего становится малым, что связано с ухудшением распыливания. Согласно изложенному

ф - /пл 3Q

Для каждой точки профиля кулачка

Фиг. 202. Характеристика открытой форсунки.

= const; следовательно,

величина пропорциональна числу оборотов, а перепад давления пропорционален квадрату числа оборотов.

Транспортные (например, автомобильные) двигатели работают на переменном скоростном режиме, причем нередко отношение максимального числа оборота вала к минимальному доходит до 5 и более. Вследствие этого при сделанных допущениях отношение перепадов давления в соплах может дости-

гать 25 и более. Эта особенность открытой форсунки является одной из причин крайне редкого ее применения в транспортных двигателях и

подбора форсунки из условия получения чрезвычайно высоких давлений впрыска на высоких скоростных режимах (до 2000-2400 кг/см).

/1+Вх

Характеристика клапанной форсунки

Клапанная форсунка (фиг. 203) имеет только одну полость и одно дросселирующее ivifi)- Следовательно,

k = 1

и

сечение

2 V/ 1 Согласно выражениям (289) и (290),

~2а а)

Фиг. 203. Расчетная схема клапанной форсунки:

а - форсунка с обратным ходом запорного органа; - форсунка с прямым ходом запорного органа

Pi - = + Ро - Рг

q0 = 1lhVVbx-\-Po-p,=

(291)

= p-iTzdiX sin а у y-fjj jpp

(292)

В данном случае из этих двух выражений можно и сключить величину подъема иглы и получить непосредственно уравнение характеристики в координатах - р^:

где

= f.,d, Sin а (Pi - ро) р7=р7=

= c{pj - ро) VPi - Pz

C = ,ud,sina у ---Щ-.

(293)

Величина С для данной форсунки при работе на топливе определенного удельного веса с точностью до постоянства величина постоянная.

Решение уравнения (293) относительно давления рх приводит к уравнению третьей степени. Поэтому целесообразно решить его относительно Q, рассчитать характеристику, задаваясь различными значениями Pj, и изобразить ее в обычных координатах.

После определения зависимости величины от легко подсчитать значения х, соответствующие различным значениям Qф по уравнению (291) из соотношения

pi-Ро

(Рх -ру)(4-4}

4В

Фиг. 204. Характеристики клапанной форсунки при пружинах различной жесткости.

На фиг. 204 показан ряд характеристик клапанной форсунки для нескольких значений жесткости в пружины. С повышением жесткости пружины увеличивается нарастание давления с увеличением расхода топлива. Как видно из характеристики, перепад давления в форсунке не может быть меньше ро - р^,

причем этот перепад можно регулировать путем изменения предварительной затяжки пружины. Уклон кривой давления можно менять изменением жесткости пружины, в результате чего работа форсунки может приспосабливаться к изменению скоростного режима двигателя транспортного типа.

Характеристика нормальнойзакрытой форсунки

В нормальной закрытой форсунке (фиг. 205) имеются две полости с давлениями р^ и рч (следовательно, k ~ 2); второе дросселирующее сечение является одновременно и выходным, т. е. = \и- Практически оно выполняется в виде сопел и величина его не зависит от подъема иглы. Для подчеркивания этого оно обозначено = const.

Давление среды, в которую производится впрыск, на

иглу не воздействует, так как

do = 0.

Для форсунки рассматриваемого типа

Oj = 1; Оо =-

I; v,=

Для нанесения на график характеристики линии Р1 = f (Оф) для форсунок, имеющих в качестве выходного дросселирующего сечения сопла, проще воспользоваться вместо уравнения (289) последним уравнением системы (282), согласно которому в рассматриваемом случае

P2 - Pz =

1tQ% 28ЫсГ

Фиг. 205. Расчетная схема нормальной закрытой форсунки.

И Представляется с точностью до постоянства н- параболической зависимостью от 0 ф.

Для обычных соотношений параметров закрытой форсунки характеристика имеет вид, показанный на фиг. 206. Дат^ление Pj обычно после достижения максимума при давлении, близком значению ро и весьма малом расходе, уменьшается на диапазоне изменения (ф до Q., при котором оно достигает минимального значения, и затем возрастает, асимптотически сближаясь с кривой давления pi. С увеличением жесткости пружины участок с положительным уклоном при малых расходах, увеличивается. Начиная с определенного значения жесткости пружины, участок с отрицательным уклоном кривой давления исчезает, и эта кривая протекает с монотонным возрастанием давления. Подъем иглы относительно медленно увеличивается с увеличением секундного расхода топлива примерно до расхода Q. р, затем подъем увеличивается значительно быстрее.

При оценке качества распыливания топлива закрытой форсункой при малых расходах необходимо учесть, что значительный перепад давления затрачивается на создание скорости в седле иглы и образование интенсивных

Фиг. 206. Характеристика нормальной закрытой форсунки.

Характеристика клананно-сопловой форсунки

Клапанно-сопловая форсунка (фиг. 207), как и нормальная закрытая форсунка, имеет две полости с разными давлениями. Следовательно, k = 2, а выходное дросселирующее сечение образовано соплами (/2 fk = fc ~ = const), в отличие от нормальной закрытой форсунки запорный орган, в

данном случае клапан, не PPf имеет поверхности, подвер-

гающейся воздействию атмосферного давления; следова-

Л+Вх

тельно cIq = 0.

Для форсунки рассматриваемого типа, как и для нормальной закрытой форсунки, перепад давления в соплах

P2 - Pz =

2g ШсГ

Фиг. 207. Расчетная

схема клапанно-сопловой форсунки.

Фиг 208. Характеристика кла-панно-сопловой форсунки.

Из формул (284) и (286) выясняется, что

Следовательно, из формул (288) и (290) имеем

Pi-Pz- ibx + - Р,) [1 + ()

= Ml/] / V bx -\-Pq - p = ,T.d,x sin a V bx-po - p.

Характеристика форсунки, подсчитанная для случая впрыска в атмосферу {pz = 0)- показана на фиг. 208.

Характеристика штифтовой форсунки с обычной формой штифта

В настоящее время штифтовые форсунки обычно выполняются с штифтом в виде двух усеченных конусов, сложенных меньшими основаниями (фиг. 209). Штифты изготовляют разного диаметра с различными углами при вершине нижнего конуса (от О до 50°), в результате чего конус факела топлива может изменяться в широких пределах. В начальный момент, когда запорный конус иглы находится в седле, цилиндрическая часть штифта обычно частично входит в цилиндрическое выходное отверстие корпуса форсунки. В общем случае штифтовую форсунку следует рассматривать как имеющую три дросселирующих сечения: 1) в запорном конусе, 2) у верхнего конуса и 3) у нижнего конуса штифта. Для выяснения вида характеристики штиф-

вихревых движений в надсопловой полости, которые, создавая возмущения в потоке, проходящем через сопло, содействуют раздроблению топлива и улучшению качества распыливания.

В дальнейшем при рассмотрении свойств нормальной закрытой форсунки с обычной характеристикой участок возрастания давления при малых расходах не принимается во внимание.

ТОБОЙ форсунки и ее расчета можно с достаточной степенью гочности объединить последние два сечения, рассматривая их как одно, эквивалентное им. Пользуясь обозначениями на фиг. 210 и уравнением (284), можно написать

1=3 /=2

2g f

где f,i, - эквивалентное сечение, заменяющее оба сечения у штифта. Следовательно,

(294)

- С 1 или ifi . lig/g, то дробь -у^ мала по сравнению Н-г/г- В этом случае приведенное сечение меньше меньшего

с единицей и

из двух заменяемых и близко к нему. Проходные сечения у штифта при подъеме иглы меняются так, что нижнее уменьшается, а верхнее увеличивается. Эквивалентное проходное сечение поэтому близко к тому из двух, которое меньше. Это позволяет проанализировать характеристику штифтовой форсунки на основании изменения эквивалентного проходного сечения у штифта иглы.

С подъемом иглы можно отметить следующие характеристические положения штифта иглы (фиг 211):

1, Игла закрывает проходное сечение (л; = 0). Цилиндрическая часть штифта частично входит в отверстие корпуса Основным дросселирующим-сечением у штифта является кольцевой зазор между цилиндрической частью 1итифта и отверстием корпуса.

Фиг 209 Штиф-! обычной штифтовой форсунки.

Фиг. 210. Схема к определению эквивалентного проходного сечения штифта.

Л Ш TF Т W

Фиг. 211. Характеристические положения штифта.

2. Большее основание верхнего конуса штифта располагается на уровне верхней кромки отверстия корпуса (х = Xi).

3. Штифт располагается в отверстии корпуса так. что проходное сечение у верхнего конуса штифта равно по величине проходному сечению у нижнего конуса (X = Xq).

4. Нижняя торцовая плоскость штифта устанавливается на уровне нижней торцовой плоскости корпуса форсунки {х = х^).

5. Нижняя торцовая плоскость штифта устанавливается на уровне верхней окружности цилиндрического выходного отверстия корпуса форсунки {х = Xs).

6 Штифт вышел из отверстия корпуса распылителя (л; = х^).

В соответствии с этими характеристическими положениями штифта на фиг. 212 показана связь между подъемом иглы форсунки и эквивалентным проходным сечением у штифта.

Связь между эквивалентным проходным сечением у штифта и подъемом нглы распадается на ряд различных участков. Поэтому и характеристика форсунки, подсчет которой выполняется по обп],ему методу, распадается на соответствующие участки. На первом участке форсунка по гидродинамической схеме подобна нормальной закрытой форсунке, и характеристика штифтовой форсунки по виду соответствует характеристике последней <фиг. 213, участок /). Вследствие малого размера выходного сечения этот участок характеристики укладывается в области малых расходов топлива.

На участке эквивалентное проходное сечение у штифта растет с увеличением подъема иглы, поэтому с увеличением подъема иглы рост

Фиг. 212. Зависимость эквивалентного сечения у штифта от подъема иглы.

Фиг 213. Характеристика штифтовой форсунки.

общего перепада в форсунке меньше, чем если бы выходное сечение было постоянно по величине, как у нормальной закрытой форсунки. Это определяет перелом кривой давления и подъема иглы при переходе с участка / на участок и плавное замедленное возрастание обоих параметров с увеличением Q.

На участке / характеристики уменьшение эквивалентного проходного сечения у штифта с увеличением подъема иглы приводит к более резкому увеличению дросселирования по сравнению с нормальной закрытой форсункой. В случае небольших углов при вершине нижнего конуса штифта ( ~ 5°) характеристика штифтовой форсунки на этом участке имеет более резкий подъем давления и перемещения иглы, чем у нормальной закрытой форсунки. При больших углах нижнего конуса штифта влияние уменьшения выходного сечения сказывается настолько резко, что равновесие иглы при больших подъемах иглы получается при меньших секундных расходах топлива. В этих случаях уклон кривых давления и подъема иглы становится отрицательным.

На участке IV эквивалентное проходное сечение у штифта может быть принято постоянным, а штифтовая форсунка по гидродинамической схеме - эквивалентной нормальной закрытой форсунке. Этот участок имеет такой же характер протекания, как у нормальной закрытой форсунки, причем, как правило, этот участок соответствует условию, что > Q,p.

На участке V характеристики эквивалентное сечение у штифта увеличивается так же, как и на втором участке, поэтому и вид кривых давления и подъема иглы аналогичен виду соответствующих кривых на втором участке.

Понятие о неустойчивых режимах работы форсунки

Каждая точка характеристики форсунки определяется из условия статического равновесия ее иглы или клапана. Как известно, статическое равновесие каждого тела может быть устойчивым или неустойчивым. Устойчивое

1 ... 9 10 11 [ 12 ] 13 14 15 ... 20