Введение Предварительный затяг пружины в закрытой форсунке обычно выбирается из условий обеспечения высокого давления топлива в период впрыска в цилиндр и резкой посадки иглы на седло. Вследствие этого давление топлива в форсунке, необходимое для отрыва иглы от седла, достигает 10-30 МПа. Эта величина проверяется в статических условиях на ручном прессе, после чего форсунка устанавливается на двигатель. Во всех методах расчета топливных систем за начало движения иглы принимают момент, когда давление топлива в форсунке рф равно давлению, соответствующему предварительному затягу форсуночной пружины р0. Считают также, что дополнительный подъем иглы возможен лишь в том случае, если давление топлива в форсунке после посадки иглы превысит давление р0. При экспериментальном исследовании топливных систем быстроходных двигателей в Центральном научно-исследовательском дизельном институте (г. Санкт-Петербург) было отмечено следующее: величина давления топлива в форсунке в момент начала подъема иглы иногда отличается от давления р0, что может существенно влиять на процесс впрыска топлива и качество его сгорания в цилиндре. В связи с этим нами было проведено экспериментальное и теоретическое исследование, результаты которого приводятся ниже. Исследование величины давления топлива в форсунке в момент начала подъема иглы Опыты проводились на топливной системе, которая состояла из насоса золотникового типа и закрытой форсунки и была смонтирована на стенде. Стендовое оборудование позволяло изменять число оборотов кулачкового валика насоса от 300 до 1400 об/мин. Давление топлива регистрировалось пьезокварцевым индикатором, а подъем иглы - емкостным. Для исследуемой форсунки было показано, что осциллограммы давления, снятые в камере распылителя и перед фильтром форсунки, одинаковы. В наших опытах фильтр был удален, что позволило расстояние от камеры распылителя до датчика уменьшить вдвое - до 6,5 см. На рис. 1 приведена осциллограмма давления топлива в форсунке и подъема иглы. На кривой давления отмечен момент, соответствующий давлению предварительного затяга пружины, которое в опытах было равно р0 = 20 МПа. Подъем иглы начинается лишь спустя 0,7 · 10-3 с, когда давление достигает р0 = 27 МПа (за это время волна давления распространится по длине трубопровода на 77 см). Рис. 1. Осциллограмма давления топлива в форсунке и подъема иглы На рис. 2 дана зависимость давления топлива от числа оборотов кулачкового валика при работе насоса с нагнетательными клапанами, имеющими разгружающий поясок (клапаны № 2, 3) и без него (клапан № 1). Из рис. 2 видно, что с увеличением числа оборотов от 500 до 1100 об/мин величина возрастает на 10-15 МПа и зависит от высоты разгружающего пояска h. При дальнейшем увеличении оборотов p0 практически не изменяется. Рис. 2. Зависимость давления от числа оборотов кулачкового вала n Осциллограммы, снятые при n = 300 об/мин, показали, что давление равно давлению р0. Повышение давления впрыска в начале подъема иглы приводит к более качественному смесеобразованию в цилиндре. Необходимо также отметить, что значительное превышение величины над давлением р0 вызывает расхождения в расчетных кривых давления топлива в форсунке. Так, расчет процесса впрыска топлива в случаях начала подъема иглы при p0 = 20 МПа или = 40 МПа показал заметное расхождение кривых давления топлива в форсунке на значительном участке впрыска (рис. 3). Рис. 3. Влияние величины давления топлива в начале подъема иглы на расчет впрыска Из рис. 3 видно, что расчет процесса впрыска, в котором за начало движения иглы принят момент, соответствующий = 40 МПа (определено из осциллограммы), дает значительно большее приближение расчетной кривой p = f(φ) к экспериментальной. Итак, из опыта видно, что при постоянной нагрузке пружины движение иглы начинается при разных значениях давления в форсунке. Чтобы выяснить причины полученного явления, рассмотрим уравнение движения иглы, которое при учете сил трения записывается как [1]: (1) где - приведенная масса иглы; у - подъем иглы; - площадь поперечного сечения иглы; - жесткость пружины; - давление топлива в форсунке; R - сила кулонова трения; - сила жидкостного трения; у0 - предварительное сжатие пружины. В наших опытах = 42,4 кг, что соответствует p0 = 20 МПа. Вследствие этого, пока на дифференциальную площадь иглы fʹu воздействует давление меньшее 200 МПа, подъем иглы невозможен. Для этого момента времени Отсюда из уравнения (1) получим (2) Покажем на примере, что сила R, которой при расчетах обычно пренебрегают, не может вызвать значительного изменения в величине давления топлива в форсунке в момент начала подъема иглы. При R = 0,1 кг, = 42,4 кг, = 0,213 см2 из уравнения (2) имеем Если подъем иглы происходит при давлении = 40 МПа, то для того, чтобы уравнение (2) не было нарушено, необходимо иметь R = 42,8 кг, что невозможно. Следовательно, трение иглы о корпус распылителя не может вызвать заметного увеличения давления открытия иглы, поэтому уравнение (2) для момента начала подъема иглы несправедливо. Обработка осциллограмм показала, что время нарастания давления топлива в форсунке от величины остаточного давления в нагнетательном трубопроводе до давления открытия иглы составляет 0,2 · 10-3 + 11 · 10-3 с. Таким образом, происходит удар жидкости об иглу, который до начала движения иглы продолжается лишь несколько десятитысячных долей секунды. Вследствие этого момент начала движения иглы следует определять из уравнения удара жидкости об иглу. Движение иглы возможно только в случае приложения к ней некоторого импульса. Ввиду того, что нагрузка пружины до начала движения иглы не изменяется, величина импульса зависит от остаточного давления топлива в камере распылителя. И действительно, площадь под кривой давления топлива на осциллограмме от начала подъема давления в форсунке до момента, соответствующего началу движения иглы, остается постоянной для всех режимов, снятых при одном и том же клапане, но при разных числах оборотов (в пределах точности обработки осциллограмм). Давление топлива, умноженное на площадь дифференциальной площадки иглы, равно усилию Fc, создаваемому топливом на иглу: Чтобы получить импульс S(h), зависящий от остаточного давления в системе Pt (или, в первом приближении, от высоты разгружающего пояска h), надо силу проинтегрировать по времени t в пределах продолжительности удара τ, т. е. Этот импульс равен изменению количества движения жидкости (3) где mT и (u)l0 - количество движения в начальный момент для топливных систем, обычно равно нулю; (u)l - скорость топлива при входе в форсунку; mT - масса топлива. Определим изменение количества движения топлива, поступившего в форсунку и создавшего повышение давления : (4) Масса топлива, вошедшая в форсунку, равна: , (5) где p - массовая плотность топлива; α - коэффициент сжимаемости топлива; Vф - объем камеры распылителя. Скорость u в любом сечении трубопровода определяется уравнениями которые имеют следующее решение: u(x1t) = u0 + , (6) где u0 = 0 - скорость топлива перед началом следующего впрыска [2]; p - давление топлива; и - прямая и обратная волны давления; α - скорость распространения волн давления. Скорость определим из равенств (6), в которых х = l, т. е. , или, учитывая (4), = (7) Подставив значения mT и (u)l из (5) и (7) в (3), получим S(h) = mt(u)l = A, (8) где A =. Среднее значение мгновенной силы за время удара равно: СS = (9) Функция F , входящая в формулу (9), находится из граничных условий у насоса. Определим функцию F(t), которая смещена от F на t = Граничное условие у насоса без учета движения нагнетательного клапана запишется как (10) где Vн - объем полости насоса вместе с надклапанной плоскостью [3]; pн - давление топлива в насосе; fп и cп - площадь поперечного сечения и скорость плунжера; fтр - площадь трубопровода «в свету»; (u)0 - скорость топлива при входе в трубопровод. Давление и скорость топлива у насоса определяются из равенств (6) при x = 0. Так как время прохождения волною давления расстояния 2L= 1,45 м составляет 1,32·10-3 с, а запаздывание впрыска в наших опытах не превышало 1,1 · 10-3 с, то в равенствах (6) для рассматриваемого периода времени функция W(t) равна нулю, и эти равенства принимают вид . (11) Из первого уравнения данной системы имеем (12) Подставив значение из (12) и (u)0 из (11) в уравнение (10), получим . (13) При линейном законе движения плунжера уравнение (13) легко решается в конечном виде. Отсутствие надежных данных о величине не позволяет с помощью уравнения (9) определить среднюю силу удара Cs , поэтому мы не можем найти также численного значения величины . В связи с этим проведем только качественную оценку влияния числа оборотов на величину . Примем в рассматриваемом периоде впрыска скорость плунжера постоянной. Тогда увеличение скорости плунжера Сп прямо пропорционально числу оборотов кулачкового валика n, т. е. Cп = bn, где b - коэффициент пропорциональности. Уравнение (13) удовлетворяется, если принять F(t) = fп C = bn. Отсюда увеличение числа оборотов п приводит к увеличению волны подачи F(t).Такой же вывод можно получить (как показывают расчеты), если отбросить принятые допущения, однако зависимость будет более сложной. Из равенства (8) получаем квадратное уравнение относительно : откуда . (14) Второй корень p2, соответствующий знаку (-), следует отбросить, т. к. из расчета видно, что он противоречит физической сущности процесса. При S(h)= const формула (14) показывает, что увеличение приводит к росту . Выше было доказано, что увеличивается с ростом числа оборотов кулачкового валика, поэтому величина также растет при увеличении n. Аналогичную зависимость можно получить при рассмотрении формулы (9), которую запишем как С увеличением числа оборотов, как показал опыт, время нарастания давления топлива от рt до p0, т. е. τ, уменьшается. Следовательно, чтобы обеспечить тот же импульс, необходимо увеличить среднюю силу удара, т. е. рост (pt = const). Постановка разгружающих поясков приводит к снижению остаточного давления в системе после впрыска, и для того чтобы приложить к игле требуемый импульс, необходимо более высокое значение величины . Исследование изменения величины обобщено на рис. 4. Рис. 4. Зависимость р0 от времени удара иглы В координатных осях pʹτ (давление топлива и время удара) нанесены значения pt и p0. Рассмотрим случай линейного изменения давления топлива в форсунке от остаточного давления (точка М) до давления начала подъема иглы (точка N). Чтобы игла начала подниматься, к ней необходимо приложить некоторый минимальный импульс Smin (Smin = const, т. к. рt = const и р0 = const). Допустим, что за это время в форсунке создалось давление = р0 (точка N). Точку N(τкр), которой соответствует приложенный импульс, равный Smin, и давление в форсунке, равное давлению предварительного затяга форсуночной пружины, назовем критической. Нетрудно видеть, что положение этой точки зависит в основном от p1, p0 и закона нарастания давления. Справа от игла начнет подниматься только после достижения давления в форсунке = p0, т. к. в этой области приложенный импульс больше Smin. Слева от движение иглы начинается в момент, когда приложенный импульс равен Smin, и всегда > p0. При данных допущениях уравнение кривой = f левее точки N определяется из равенства Smin= + , откуда =, 0