Главная страница сайта  Российские промышленные издания (узловые агрегаты) 

1 ... 10 11 12 [ 13 ] 14 15 16 ... 20

равновесие характеризуется тем, что при малом отклонении тела от положения равновесия силы, действующие на него, стремятся вернуть его в исходное положение. При неустойчивом равновесии тела случайное его отклонение от положения равновесия вызывает действие сил, стремящихся еще более отдалить его от исходного. Неустойчивое равновесие вследствие неизбежного воздействия случайных факторов, отклоняющих тело от исходного положения, практически не может поддерживаться в течение конечного отрезка времени.

Вследствие случайного отклонения иглы форсунки от равновесного положения усилие пружины изменяется на величину BSx, где Лх - отклонение иглы от положения равновесия. При перемещении иглы на величину Ах .меняется величина всех или части проходных сечений, вследствие чего изменяется сопротивление форсунки в целом. Если топливо в форсунку подается насосом, поддерживающим постоянный секундный расход топлива через форсунку, то общий перепад давления топлива при прохождении через форсунку изменится, как и давление в отдельных полостях. В результате этого изменится и воздействие со стороны топлива на иглу. В определенных условиях изменение последнего может быть больше изменения усилия пружины и по направлению обратно направлению действия усилия пружины; получаются условия, соответствующие неустойчивому равновесию иглы. Можно показать, что устойчивость равновесного положения иглы связана с уклонами кривых давления и подъема иглы характеристики форсунки и для случая питания форсунки насосом, поддерживающим постоянство расхода топлива, условием устойчивости равновесного положения иглы является

положительность уклона кривой давления по характеристике т. е.

При рассмотрении характеристик форсунок различных типов выяснилось, что у характеристик некоторых форсунок имеются участки, на которых с увеличением секундного расхода топлива давление падает (у нормальной зак|5ытой форсунки участок до Рф.р, у штифтовой форсунки часть первого участка и третий участок характеристики), поэтому при этих форсунках могут быть случаи, когда невозможно поддерживать режимы работы, соответствующие неустойчивым равновесным положениям иглы.

Влияние ограничения подъема иглы на вид характеристики форсунки

С момента соприкосновения иглы с упором положение ее в форсунке фиксировано, а все проходные сечения для топлива становятся постоянными. Общий перепад давления у форсунки

так как с точностью до постоянства коэффициентов расхода

Для примера на фиг. 214 показаны характеристики нормальной закрытой форсунки, когда упор отсутствует и при двух положениях упора.

Ограничение подъема иглы xnaxi видно, мало изменяет протекание характеристики; установка упора так, чтобы игла касалась его при подъеме на величину х^2> резко меняет протекание характеристики.

21 Орлин и др. 2145

В штифтовых форсунках при помощи упора можно исключить один или' несколько участков характеристики, начиная с последнего. При установке упора, допускающего подъем иглы до высоты, равной х^ (фиг 215), сохраняются все ранее рассмотренные участки характеристики и добавляется параболический участок при любом расходе, больше того, при котором игла сопри-

maxZ

Фиг. 214. Влияние наличия упора на характеристику нормальной закрытой форсунки.

Фиг. 215. Влияние наличии упора на характеристику штифтовой форсунки.

касается с упором. Ограничение подъема иглы величиной х^ исключает из характеристики участки, начиная с точки /. Наконец, при установке упора так, чтобы подъем иглы не мог быть больше -шакг- в характеристике сохраняется лишь первый участок и часть второго с непосредственным переходом иа параболическую кривую, соответствующую постоянному положению иглы в соприкосновении с упором.

В штифтовых форсунках направляющее действие нижнего конуса штифта и, следовательно, его влияние на конус факела топлива сохраняется только при положениях иглы, когда торец штифта выступает из корпуса форсунки. Поэтому, начиная с положения /V (фиг. 211), направляющее действие нижнего конуса штифта прекращается. Для штифтовых форсунок, даюш.их небольшой угол факела топлива (с углом при вершине нижнего конуса штифта до 15°), изменение этого угла npi прекращении направляющего действия штифта незначительно, поэтому такие форсунки выполняются так, что их характеристики имеют все рассмотренные участки. Штифтовые форсунки с большим угло.м. при вершине нижнего конуса штифта (15° и выше) изготовляются так, чтобы ограничитель подъема не допускал утопания горца штифта в корпусе форсунки. Для этого упор ограничивает подъем иглы при положении штифта, соответствующем промежуточному между положениями / и /V (фиг. 211), Характеристика форсунки принимает вид, показанный на фиг. 216.

\тах

Фиг 21В. Характеристика ши рокоугольно? } штифтовой фор сунки.

§ 4. СЖИМАЕМОСТЬ ТОПЛИВА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕСС ВПРЫСКА

Чрезвычайно большой диапазон изменения давления в системе топливоподачи двигателей с воспламенением от сжатия и кратковременность процесса приводит к тому, что сжимаемость топлива существенно влияет на протекание впрыска.

Истинный коэффициент сжимаемости =-, поэтомуd\/=-aVdp.

При учете сжимаемости топлива дифференциальное уравнение, описывающее процесс топливоподачи при насосе с кулачковым приводом плундеера, имеет вид (фиг. 217):

~ (295)

где

и с. -

соответственно сечение и мгновенная скорость плунжера насоса;

истинный коэффициент сжимаемости Ч объем топлива, находящегося под давлением в данный момент;

T:Qdt - сумма объемов топлива, одновременно вытекающего из системы (в реальных системах топливо одновременно может вытекать из системы, например, через форсунку и отсечное отверстие); и

расход топлива в единицу времени; давление и время. При составлении уравнения (295) не принят во внимание перепад давления в нагнетательном клапане насоса вследствие незначительности этого перепада по сравнению с давлениями, развивающимися в системе при впрыске.

На разных этапах процесса впрыска уравнение (295) принимает различный вид. Для насоса золотникового типа к началу хода нагнетания рабочая камера насоса заполнена топливом при давлении, примерно равном атмосферному. Нагнетательный клапан закрыт и прижат к своему седлу пружиной и давлением топлива, находящегося в нагнетательном трубопроводе (остаточным давлением). Перепускное (отсечное) отверстие в рабочей втулке насоса открыто. Первый этап процесса продолжается от момента начала нагнетательного хода до момента открытия нагнетательного клапана. Топливо, вытесняемое плунжером, вытекает через перепускное отверстие и скапливается в камере насоса вследствие сжимаемости топлива. Уравнение процесса принимает вид

fr:.c ,dt = aV,dp-\-Qdt,

где Vi -текущее значение объема рабочей полости насоса в рассматриваемый момент.

Расход топлива, вытекающего из рабочей полости насоса через перепускное окно,

Фиг. 217. Схема топливоподающей системы к расчету процесса с учетом сжимаемости топлива!

(296)

ЦТ

где - проходное сечение перепускного окна втулки насоса, постепенно перекрываемого плунжером; это сечение переменно по времени; Ра - давление топлива в питающем канале.

Для давлений 50-500 кг/см истинный коэффициент сжимаемости дизельных топлив может приниматься постоянным и равным 50-10-** - О-Ю^ смУкг. По аналогии с другими испытанными жидкостями следует ожидать, что по мере увеличения давления истинный коэффициент сжимаемости дизельных топлив уменьшается, однако надежных данных для количественной оценки влияния давления на истинный коэффициент сжимаемости топлив нет.

л = п -4- (ЬыУЖ,

Для данного насоса можно определить нарастание давления в рабочей полости, так как известно изменение скорости плунжера с„ по времени или углу поворота вала насоса так же, как изменение проходного сечения перепускного окна. Момент возрастания давления до давления открытия нагнетательного клапана определяет конец первого этапа.

Второй этап продолжается с момента открытия нагнетательного клапана до момента открытия форсунки (если форсунка закрыта). При открытой форсунке после открытия нагнетательного клапана начинается впрыск топлива в цилиндр, поэтому для этих форсунок второй этап отпадает. При закрытых форсунках этот этап разделяется на два периода, из которых первый охватывает время с момента открытия нагнетательного клапана насоса до полного перекрытия перепускного отверстия, а второй-с момента перекрытия перепускного окна до открытия форсунки. В первый период процесс определяется уравнением (296) с заменой объема I/, суммарным объемом системы V = Vx -\- l/g. Во второй период из этого уравнения выпадает член Qdt, так как перепускное окно насоса закрыто и топливо через него не вытекает. Уравнение принимает вид

fn.c /t = aVdp. (298)

Третий, основной этап процесса впрыска (активный впрыск), продолжается с момента открытия форсунки и начала впрыска топлива в цилиндр до момента открытия перепускного отверстия (отсечки). На этом этапе процесс определяется уравнением

[ ,c ,dt = aVdp-i-Qdt. (299)

С момента открытия перепускного отверстия в правой части уравнения (299) прибавляется член Qdt, отражающий перетекание топлива через отсечное отверстие (четвертый этап). Уравнение принимает вид

L/ ,dtaVdp-\-QdtQdt. (300)

Этот этап продолжается до момента посадки нагнетательного клапана, который характеризует одновременно начало пятого, последнего этапа процесса, называемого подтеканием. i

С начала пятого этапа нагнетательный клапан разъединяет рабочую полость насоса от трубопровода и форсунки, вследствие чего продолжающееся движение плунжера не отражается на процессе, протекающем в трубопроводе и форсунке, поэтому член fAndt выпадает, и уравнение, описывающее процесс, принимает вид

aVdp -\-Qdt 0. (301)

При заданной конструкции насоса знание закона движения плунжера позволяет определить для каждого момента времени положение плунжера относительно отверстия и рассчитать сечение отверстия.

Конец первого этапа определяется условием, что давление в рабочей камере насоса достигает давления открытия нагнетательного клапана насоса.

При малых значениях остаточного давления сжимаемость топлива мало влияет на протекание процесса, и ею можно пренебречь. В этом случае уравнение (296) заменяется уравнением

= Q. = lafo /1 (Р - Ра). (297)

которое решается относительно

Конец этого этапа определяется моментом посадки запорного органа форсунки. При открытой форсунке конец этапа при впрыске в среду, где давление постоянно, определяется моментом выравнивания давления в нагнетательном трубопроводе и в среде, в которую производится впрыск. При работе системы с открытой форсункой на двигателе подтекание продолжается оесь период, в течение которого давление в цилиндре понижается (расширение и начало выпуска).

Решение дифференциальных уравнений, определяющих процесс на отдельных этапах, обычным методом, т. е. нахождение математической связи давления, секундного расхода топлива через форсунку и подъема иглы со Бременем или углом поворота вала насоса путем нахождения интеграла, возможно только в отдельных, наиболее простых случаях. Для более сложных форсунок и законов движения плунжера приходится прибегать к численным методам решения задачи и, в частности, к методу конечных разностей, ограничиваясь приближенным решением.

Отмеченная выше возможность неустойчивости равновесного положения запорного органа форсунки может при сжимаемости топлива привести к прерывистому впрыску.

Явление неустойчивости процесса можно установить из следующих соображений.

На фиг. 218 показана характеристика нормальной закрытой форсунки, связанной трубопроводом с топливным насосом, подача которого постоянна по времени. Если эта подача больше критического расхода, то точка режима лежит на ветви характеристики, где уклон кривой давления положителен; > О (например, точка /). Если имеется отклонение

процесса форсунки в сторону увеличения давления (точка /), то из форсунки вытекает больше топлива, чем подает насос. Количество топлива, находящегося в системе, уменьшается. В связи со сжимаемостью топлива давление понижается и точка режима смещается в направлении к равновесной точке (точке /). В этом случае режим устойчив.

Если насос nvieer подачу топлива, меньшую критической, т. е. рабочая точка лежит на линии характеристики в области отрицательных уклонов

< О (например, точка 2 на фиг. 218), то случайные смещения режима

(например, в точку 2 ), связанные с повышением давления в системе, вызывают превышение подачи топлива насосом над расходом его через форсунку. Результатом является дальнейшее повышение давления в системе и дальнейшее смещение процесса в сторону уменьшения подачи, т. е. удаление от исходной рабочей точки. В этом случае режим неустойчив.

Если насосом поддерживать постоянную подачу топлива, которая меньше критического расхода форсунки, то протекание процесса представляется в следующем виде: в момент открытия форсунки устанавливается расход топлива через форсунку, соответствующий по характеристике давлению отрыва иглы от седла по ветви кривой, где режим устойчив. При этом игла быстро, а в случае пренебрежения ее массой мгновенно, поднимается до положения, соответствующего ее равновесию при данном давлении на устойчивом участке характеристики (х^ на фиг. 218). Далее давление в системе падает до тех пор, пока оно не достигает минимального значения по характеристике, так как расходование топлива форсункой превышает подачу его насосом.

Фиг. 218. Неустойчивый режим работы форсунки.

В данной точке расходование топлива превышает его поступление в систему, давление продолжает снижаться, ио так как при давлениях, меньших рп п, равновесия иглы в поднятом состоянии быть не может, она быстро, а в случае пренебрежения ее массой - мгновенно, садится на седло, впрыск прекран1,ается. С этого момента топливо насосом подается в замкнутую

систему, что сопровождается вследствие сжимаемости топлива повышением давления до тех пор, пока оно не достигнет давления открытия форсунки. С этого момента цикл повторяется. Посадка иглы форсунки происходит при давлении р^у^ в тот момент, когда подъем иглы, уменьшаясь, достигнет значения Xi (фиг. 218).

Процесс впрыска принимает периодический характер, распадаясь иа ряд отдельных впрысков.

Экспериментальная диаграмма движения иглы форсунки, записанная при испытании форсунки на установке для экспериментального определения

п =152 об/мин.

Начало подачи

Фиг. 219. Экспериментальная диаграмма дробящего впрыска.

АЛаЛЛлЛ /1ЛЛЛЛЛЛАЛЛЛЛ

Фиг. 220. Осциллограмма дробящего впрыска реальной системы топливоподачи.

характеристик форсунок, показана на фиг. 219. При ее рассмотрении необходимо иметь в виду, что запись движения иглы производилась справа налево.

Прерывистый впрыск можно наблюдать и при нормальной работе топливоподающей системы на двигателе в случае пониженных скоростных режимов. На фиг. 220 приведена осциллограмма прерывистого впрыска.

§ 5. ИНЕРЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ВПРЫСКА

.Инерция топлива приводит к тому, что при неустановившемся его течении в разных сечениях топливопровода в заданный момент времени давление различно. При анализе процесса с учетом инерции топлива нельзя рассматривать давление и скорость топлива в трубопроводе, зависящими только от времени, как это делалось выше. Давление и скорость необходимо рассматривать как функции не только времени, но и координаты: р =fi{t, х) и W = fl it, х).

Для одномерного потока жидкости, движущегося со скоростью, малой по сравнению со скоростью звука (фиг. 221),можно в первых двух уравнениях

(21.7) опустить члены w и w

Следовательно,

р дх dw ох

Изотермическое изменение состояния жидкости описывается уравнением сжимаемости dv = -а vdp или, при замене v~ и dv = - ф = apdp.

После подстановки этого выражения во второе уравнение (302) оио приводится к виду

dw ф

1 др

а^р dt *

тде а = /-~ -скорость одномерного распространения звука в жидкости.

( г

Фиг. 221. Схема к выводу дифференциальных уравнений неустановившегося движения жидкости.

Если принять во внимание упругость стенок трубопровода

з^де Е - модуль упругости материала стенки трубопровода; JR а г - внешний и внутренний радиусы трубопровода; р. - коэффициент Пуассона.

В результате сделанных выводов получились два дифференциальных уравнения в частных производных

CW 1	dp .
dt р
dw 1
dx а^р

(303)

Их интегралами является система из двух уравнений

(304)

Под символами F lt --J и ( + ~) понимается любая по виду функ-

тя сложного аргумента (-- или ( + -); Ртч и сао - константы интегрирования.

Изменение давления, представляющееся функцией F(t -смещается

С постоянной скоростью, равной скорости звука от насоса к форсунке, пе !меняя своей величины. Эта функция, таким образом, представляет прямую (Волну давления, перемещающуюся со скоростью звука от насоса к форсунке.

Функция ( + ) отражает волну давления, движущуюся от форсунки

к насосу с указанной скоростью (обратная волна).

Вследствие относительно большого интервала между впрысками можно считать, что к начальному моменту рассматриваемого процесса впрыска топливо в системе находится в покое под остаточным давлением, одинаковым

для всех ее точек. Функции F (t - - и ( + должны при этом быть

равными нулю. Согласно уравнениям (304), для этого мо.мента р = p-j- и Wx = Wq. Константа интегрирования pj выражает величину остаточного давления в системе. Так как топливо в трубопроводе в рассматриваемый момент по условию находится в покое, то w = 0.

Как видно, состояние топлива (давление и скорость) в любом сечении трубопровода известно, если известно остаточное давление, значения прямой волны- - и обратной волны

11 + - в заданный момент. Однако

структура зависимости волны от времени и координаты позволяет определить значение ее в любом сечении в любой момент, если известно ее протекание по времени в-каком-либо одном сечении. Так, например,

если задано протекание волны F (t-- в каком-либо сечении, координата кото-функция обозначается

Фиг. 222. Определение величины Г (ti-- по графику величины

F (t - , то для другого сечения

координата которого х^, функция обозначается как

Отсюда следует, что значение функции в момент времени ii в сечении с координатой x-i определяется по графику той же функции, построенному для сечения с координатой Xj, путем смещения по оси абсцисс в направлении

отрицательных значений координаты времени на отрезок (фиг. 222).

Для обратных волн смещение производится в противоположную сторону. Чтобы представить протекание процесса в любом сечении трубопровода, достаточно иметь зависимость прямой и обратной волн в одном каком-либо-сечении трубопровода. Обычно при анализе процесса наибольший интерес представляет протекание его у насоса и форсунки. Построение функций прямой и обратной волн производится обычно для сечения трубопровода у насоса. Прямая волна определяется из рассмотрения явлений в насосе, в то время как обратная волна находится из рассмотрения явлений у форсунки.

Для сокращения в дальнейшем используются обозначения: р^=/ (t - - и р^= ( + -) причем координирование этих волн к обоим рассматриваемым сечениям производится дополнительным индексом (1 или 2),. стоящим перед индексом, характеризующим прямую и обратную волны. Индекс 1 относит данное значение волны к сечению у насоса, а индекс 2 -

З2д

к сечению у форсунки (пример: р, - прямая волна в сечении у насоса, р^ - обратная волна в сечении у форсунки). Тогда

P = Po + Pv - Рп --iPv-TPr)-

Наиболее сложным случае.м процесса у насоса является подача топлива одновременно в трубопровод и через перепускное окно. При этом явления в насосе описываются следующей системой уравнений (фиг. 223).

1. Уравнение неразрывности

-faVdp- (305)

Oho приравнивает объем топлива, вытесняемого плунжером {fnyf ,idt), объему топлива, вытекающего в трубопровод через сечение / - / {[j-wdt), объему его, вытекающему через перепускное отверстие (v-Jjad) и к объему, заполняющему пространство, освобождающееся из-за сжимаемости топлива {uVdp).

При написании этого уравнения принято, что перепадом давления в клапане, а также перепадом давления при вытекании топу1ива из полости насоса в трубопровод можно пренебречь.

2. Уравнения волнового распространения состояния, написанные для. сечения /-/:

Pro i-Plv - Plr

mi-J

Фиг. 223. анализу у насоса.

Схема процесса

Фиг. 224 Схема к анализу процесса! у форсунки.

Wi = -{Piv + Pir)-

3. Уравнение истечения через перепускное отверстие

(30б>

(307>

Нахождение интеграла системы уравнений (305)-(307) в общем случае обычным методом невозможно, и его приходится вычислять одним из методов численного интегрирования и, в частности, методом конечных разностей'.

Явления у форсунки (фиг. 224) описываются следующей системой уравнений:

1. Уравнение неразрывности

fj-wdt = Qdt Vфdp2 + kfadx.

(308)

Оно приравнивает объем топлива, поступающего через конечное сечение трубопровода - в форсунку, сумме объемов топлива, вытекаю-

Как правило, этот перепад составляет всего несколько атмосфер.

Методика расчета в более детализированном виде дана в первом издании настоящего

2 = - (Р2г/ + Р2г)-

(310)

4. Связь между расходом топлива через форсунку, давлением в полости над седлом иглы и величиной подъема иглы.

В уравнении (309) не принято во внимание сопротивление движению иглы как постоянное по величине (сухое трение), так и пропорциональное скорости движения иглы (жидкостное трение).

При рассмотрении процесса без учета инерции иглы форсунки связь между секундным расходом топлива, давлением в корпусе форсунки и подъемом нглы задается характеристикой форсунки. При учете инерции иглы статическое равновесие заменяется динамическим, выражающимся уравнением (309), и возможны режи.мы, отличные от тех, которые задаются характеристикой. В этом случае с достаточной точностью можно принять, что при заданном положении иглы между давлением в корпусе и расходом топлива .имеется связь параболического характера. Отсюда вытекает метод графического изображения искомой связи (п. А) при наличии характеристики форсунки (фиг. 225) Если перестроить характеристику форсунки, откладывая по оси абсцисс давление в корпусе форсунки р и подъем иглы л:, а по оси ординат - расход топлива Qф, найти на кривой р точки, соответствующие различным подъемам иглы, а затем через найденные точки провести параболы, имеющие вершины на оси абсцисс при давлении р^, то совокупность этих парабол даст искомую связь. Каждая парабола соответствует определенному подъему иглы, который является параметром этой кривой.

Решение задачи сводится, таким образом, к совместному решению системы уравнений, из которых часть задана в алгебраической форме, а одно- в виде графика, связывающего три переменные величины, поэтому из алге- браических уравнений целесообразно исключить все переменные величины,

* Учет сопротивления движению иглы не нарушает возможности решения задачи, но усложняет его. Пренебрежение им сделано в связи с малым его значением по сравнению с другими силами, балансируемыми уравнением (309) и отсутствием данных по его величине. Для учета этих сопротивлений в уравнение (309) надо в левой части ввести члены

где & - фактор жидкостного сопротивления;

R-сила сухого трения, знак которого соответствует знаку скорости иглы.

щего из форсунки, освобождаемого из-за его сжимаемости и заполняющего объем, освобождаемый иглой при ее подъеме.

При выступании штифта иглы из корпуса форсунки k < I и

равно -

о

2. Уравнение динамического равновесия иглы

5F + + ~ / = О' (309)

где т - масса иглы с приведенной к ней массой пружины;

Z - коэффициент, учитывающий, что часть иглы подвергается давлению, отличному от давления р^.

3. Условия волнового распространения состояния в сечении - трубопровода:

Р2 = РТО -Ь P2V - Ргг'

1 ... 10 11 12 [ 13 ] 14 15 16 ... 20