Расчёт неустановившегося движения топлива в ТВД.

Этот метод гидродинамического расчёта был предложен профессором Астаховым И.В. Движение топлива в ТВД – неустановившееся.

Примем допущения:

1).движение топлива одномерное и изотермическое(Δț =1°С при Δр=10 МПа).

2).плотность топлива и скорость распространения импульса давления в топливе

≈ const.

3). Давление топлива на входе в ТВД ≈ давлению топлива в полости штуцера насоса; давление топлива на выходе из ТВД ≈ давлению топлива в полости

форсунки.

Т.о., Астаховым И.В. были предложены следующие дифференциальные уравнения движения топлива в ТВД:

 

(1)

где r – плотность топлива; p - давление топлива; с- скорость; k- фактор гидравлического сопротивления.

Решение системы уравнений (1) имеет вид:

× e^{-k×t 1} × e^{-k×t 2}

× e^{-k×t 1} + (2).

В уравнениях системы (2) p_o является остаточным давлением от предыдущего впрыскивания, а С_О – остаточной скоростью движения топлива. Обычно С_О = 0. Уравнения (2) решаются совместно с уравнениями граничных условий, описывающих процессы в ТНВД и форсунке, и с учётом начальных условий.

Ход решения следующий:

Сучётом 3)-го допущения из 2)-го уравнения для входного сечения можем записать:

F(t)= р_н^I - p_o + W(t) × e^-k×l/a

(3)

р_н^I- p_o +2 W(t)×e^-k×l/a ]

 

для выходного сечения:

W(t+l/a)= p_o- p_ф+ F(t-l/a)×e^-k×l/a;

(4)

С^II_т ⁼ p_o- p_ф+ 2F(t-l/a)×e^-k×l/a ]^;

Фактор гидравлического сопротивления k = λС/4d_т, где λ- коэффициент сопротивления трения единицы относительной длины трубы (длина в один диаметр); d_т –диаметр ТВД в «свету»; С- скорость топлива в ТВД (С_т ′- во входном сечении; С_т ′′- в выходном сечении).

На практике используют формулу Блаузиса:

__

k = (0, 07906 × ⁴√n_t × С_ср. ) / d_т^1,25

С_СР.- средняя скорость топлива(15…17м/с);

n_t – кинематическая вязкость, мм²/с;

d_т –диаметр ТВД в «свету»,мм.

Алгоритм расчёта в ТВД не сложен - сложнее рассчитывать уравнения граничных условий, описывающих процессы в насосе и форсунке.

 

 

1.9.1. Расчёт процесса в насосе.

При составлении уравнений граничных условий, описывающих процессы в насосе, принимаются следующие допущения:

1) трением НК о седло пренебрегают;

2) не учитывают упругость привода плунжера;

3) пренебрегают волновыми явлениями в пружине клапана;

4) плотность топлива принимают постоянной.

Система уравнений, описывающих процесс в насосе, состоит из уравнений объёмного баланса и уравнения динамического равновесия сил, действующих на НК.

 

 

. (5а)

 

С^I T (5б)

(5в).

 

Уравнение (5а)- уравнение объёмного баланса в полости над плунжером:

количество топлива, аккумулирующееся в объёме над плунжером в единицу времени с учётом сжимаемости равно количеству топлива, вытесненного в единицу времени плунжером, за вычетом расходов топлива через окна гильзы и НК, насосного действия НК и расхода топлива через зазоры в прецизионной паре «плунжер - гильза» Z₁.

Уравнение (5б)- уравнение объёмного баланса в полости штуцера насоса.

Слева - количество топлива, аккумулирующееся в объёме штуцера в единицу времени с учётом сжимаемости;

справа – расход топлива через НК и изменение объёма в единицу времени с учётом сжимаемости за счёт насосного действия НК минус расход топлива во входное сечение ТВД.

Уравнение (5в)- уравнение динамического равновесия сил, действующих на НК.

Слева –сила инерции НК плюс усилие, развиваемое пружиной НК, плюс сила, С КОТОРОЙ топливо давит на перья НК; справа (со стороны штуцера) – давление топлива на площадь поперечного сечения НК, ограниченную наибольшим диаметром прилегания конуса НК к седлу(а после подъёма НК эта площадь уменьшается до площади поперечного сечения разгружающего пояска f_к.

V_н = V_н0 +f_п.×(h_{п max}- h_п) + f_к.×h_к., где

V_н0 - объём полости над плунжером при положении плунжера в ВМТ.

V_н.^I = V_н0.^I - f_к.×h_к., где

V_н.^I - текущий объём штуцера насоса;

V_н0.^I - объём штуцера насоса при h_к= 0.

δ – жёсткость пружины НК;(δ≈7…9 Н/см);

δ× h_к – усилие, развиваемое пружиной НК;

р_к – давление при котором начинает движение НК (р_к ˜10…15 МПа);

f_к., f_к.^′ - площадь поперечного сечения по пояску и перьям НК;

dt = dφ_k/6×n_k;

М- масса деталей, движущихся с НК;

α = f(p)- коэффициент сжимаемости топлива.

Эти уравнения связывают между собой три неизвестные величины:

р_н ; р^I _н ; h_к.

Кроме того, в уравнение (5б) входит в качестве неизвестного скорость на входе в ТВД С^|_т, поэтому уравнения (5б) решают совместно с уравнениями (3), куда, кроме перечисленных неизвестных, входят ещё «F». ИСПОЛЬЗУЯ ПЯТЬ уравнений, можно определить все пять неизвестных. Значение обратной волны W принимаем в начале расчёта равной 0, т.к. колебательный процесс в начале цикла полностью затухает.W надо учитывать, когда к насосу подойдёт отражённая волна от форсунки. Это значение определяется в результате расчётов процесса в ТВД и форсунке.

 

1.9.2. Расчёт процесса в форсунке.

 

При составлении уравнений граничных условий, описывающих процессы в форсунке, принимаются следующие допущения:

1).трением НК о седло пренебрегают;

2).не учитывают упругость привода плунжера;

3).пренебрегают волновыми явлениями в пружине клапана;

4). плотность топлива принимают постоянной.

Система уравнений, описывающих процесс в форсунке, состоит из уравнения объёмного баланса и уравнения динамического равновесия сил, действующих на

иглу форсунки.

-Z_{2 ;}

 

 

6а)- уравнение объёмного баланса в полости распылителя форсунки:

количество топлива, аккумулирующееся в объёме полости распылителя в единицу времени с учётом сжимаемости, приравнивается к расходу топлива через выходное сечение ТВД за вычетом расходов через сопловые отверстия, расходов за счёт отсасывающего действия иглы в результате её движения и утечки через зазоры в прецизионной паре форсунки.

6б)- уравнение динамического равновесия сил, действующих на

иглу форсунки:

слева: сила инерции иглы и сила давления пружины форсунки;

справа: сумма сил давления топлива на иглу распылителя, на запирающее седло иглы.

М^′- масса деталей, движущихся с иглой форсунки;

δⁱ – жёсткость пружины форсунки;

f_и., f_и.^′ - max площадь поперечного сечения по игле распылителя и по посадочному пояску седла иглы;

р_фо – давление в распылителе в момент начала движения иглы.

μ_с= μ_с^I + Δ; μ_с^I получен проливкой при атмосферном давлении;

Δ – определяется через число кавитации: К_d =(P_ф.^I - P_ц.)/ P_ц;

Если К_d ≥ 1,6, то Δ= 4,6/(К_d + 6)^1,7; иначе Δ= 0,15.

Кавитация (cavitas- пустота, лат.)- образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (т.н. кавитационных пузырьков или каверн). Каверны образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического. Если снижение давления происходит из-за высоких местных скоростей в потоке движущейся жидкости, то кавитация – гидродинамическая, а если вследствие прохождения звуковых волн высокой интенсивности, то акустическая. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них кавитационных зародышей – микроскопических газовых пузырьков, твёрдых частиц с трещинками, заполненных газом и т.п. Если кавитационная каверна схлопывается вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению (к так называемой «кавитационной эрозии») поверхности обтекаемого тела.

Полученные уравнения (6) имеют три неизвестных величины:

р_ф, y, с^′′_т. Они и W вычисляются при совместном решении уравнений (4) и (6).

Лекция 12. 17.12.14

 

2.ТА дизелей нового поколения (c повышенным давлением^* впрыскивания).

Требования к ТПА:

1) управляемость давлением впрыскивания;

2) управляемость характеристикой подачи;

3) управляемость УОВТ,

т.е. глубокая оптимизация рабочего процесса.

ТА Common Rail.

Ужесточение законодательных экологических требований, предъявляемых к дизелям, заставило моторостроителей разработать новый тип топливоподачи — Common Rail — систему впрыска XXI века, все шире завоевывающую признание.

Принцип работы CR аналогичен системе впрыскивания бензина с электронным управлением: давление в аккумуляторе постоянно, а УОВТ и ЦПТ регулируются фазой и продолжительностью открытия форсунки. Но режимы, условия работы, предъявляемые требования и конструкция существенно отличаются от традиционной.

Рис.29. Гидравлическая схема CR автомобиля

(+): Система Common Rail (в переводе с английского – общая магистраль) не усложняют ГБЦ (в отличие от Н-Ф), ЛЕГЧЕ КОМПОНУЮТСЯ НА ДИЗЕЛЯХ различных кинематических схем. Привод ТНВД – любой, в т.ч. допускающий проскальзывание, не имеет острой импульсной нагрузки. Давление в аккумуляторе постоянно, УОВТ и ЦПТ регулируются фазой и продолжительностью открытия форсунки. Отсечной клапан 5 – нормально открыт, но позволяет ограничивать производительность ТНВД. Теплота сжимаемого топлива отводится охладителем 10. В него подаётся охлаждающая жидкость (масло), менее нагретая, чем в дизель; для этого используется спец. низкотемпературный радиатор 12 (для CR это актуально, т.к.при ↑p →↑t).

С ДРУГОЙ СТОРОНЫ, ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ t ИМЕЕТСЯ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ 2, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ОЖ.

К ТПН требования как у традиционной ТА. ТПН обычно шестерёнчатые, роторные с автономным электроприводом, в т.ч. погружённые в бак.

В обычных системах питания для впрыска каждой порции топлива ТНВД должен повышать давление в соответствующем топливопроводе и форсунке. Поскольку производительность насоса зависит от числа оборотов кулачкового или, что то же самое, коленчатого вала, результат в каждом конкретном случае получается далеко не оптимальным. Так же далека от идеальной и работа форсунки. Ее запорная игла открывается под действием ударной волны в топливной магистрали, а закрывается под действием пружины. В CR все иначе.

Топливо постоянно находится под высоким давлением в общей для всех форсунок топливной магистрали. В ней блок управления дизелем поддерживает, меняя производительность насоса, давление на уровне 1500…1800 бар (около 150…180 МПа)-для двигателей других фирм давление может несколько отличаться, но оно всегда превышает 100 МПа при различных режимах работы двигателя, то есть независимо от его n _е и нагрузки при любой последовательности впрыска по цилиндрам.

Взаимное расположение поршня (в разрезе), клапанов, форсунки и свечи накаливания

Форсунки также претерпели существенные изменения. Они оснащены специальными электромагнитными (у Mercedes-Benz – пьезоэлектрическими) клапанами и управляются по гибкому алгоритму в соответствии с конкретными условиями работы дизеля. Высокое давление, под которым топливо впрыскивается в цилиндр, создается уже при самом малом числе оборотов коленвала. Благодаря ему, а также электронному управлению процессом впрыска достигается значительно лучшая подготовка смеси в цилиндрах, что приводит к уменьшению расхода топлива и снижению токсичности выхлопных газов.

В системе Common Rail электроника регулирует момент впрыска, количество впрыскиваемого топлива и сам закон его подачи. Именно этим и достигается оптимальный на каждом конкретном режиме работы дизеля результат. Общая магистраль оборудована датчиком давления и обратным клапаном, перепускающим топливо обратно в бак.

Любопытно, что работа топливного насоса с разной производительностью, малой при низких оборотах и высокой на больших, сказалась на уровне шума, производимого дизелем.

Взаимное расположение форсунки с пятью отверстиями и камеры сгорания (Peugeot DW10ATED)

Замеры показали, что переход на систему Common Rail позволил уменьшить его на 10%. Кстати, концерны PSA и Daimler Benz на своих дизелях, оборудованных новой системой топливоподачи, пошли в отношении снижения шума еще дальше. Их предложение – переход на так называемый пилотный впрыск.

Он происходит за доли секунды перед впрыском основной порции топлива и нужен для предварительного разогрева камеры сгорания. В этом случае топливо быстрее воспламеняется, а давление и температура возрастают не так быстро, что снижает «жесткость» работы двигателя и его шум.

Работа форсунки в система «Common Rail»

Основной дозе топлива предшествует короткий предвпрыск, который предназначен для прогрева камеры сгорания и обеспечения более плавного горение смеси. Это способствует более мягкой работе двигателя. Предвпрысков может быть несколько. Затем идёт основной впрыск, после которого может следовать окончательный впрыск - в момент, когда выпускной клапан открыт, что помогает каталитическому нейтрализатору успешно дожигать вредные вещества.

Рис. 30. Диаграмма работы форсунки.

Они оснащены специальными электромагнитными (у дизелей Mercedes-Benz — пьезоэлектрическими) клапанами и управляются по гибкому алгоритму в соответствии с конкретными условиями работы дизеля. Высокое давление, под которым топливо впрыскивается в цилиндр, создается уже при самом малом числе оборотов коленвала. Благодаря ему, а также электронному управлению процессом впрыска достигается значительно лучшая подготовка смеси в цилиндрах, что приводит к уменьшению расхода топлива и снижению токсичности выхлопных газов. В системе common rail электроника регулирует момент впрыска, количество впрыскиваемого топлива и сам закон его подачи. Именно этим и достигается оптимальный на каждом конкретном режиме работы дизеля результат. Общая магистраль оборудована датчиком давления и обратным клапаном, перепускающим топливо обратно в бак.

 

Рис.31.

Достигнуты отличные выходные показатели дизелей нового поколения: расход топлива улучшен на 10–15%, мощность возросла на 40% и это при существенном снижении выбросов вредных веществ в атмосферу.

Предохранительный клапан CR Bosch предназначен для стравливания топлива из аккумулятора при превышении давления выше допустимого. Он может срабатывать при неисправном регуляторе давления. Давление срабатывания клапана 2 регулируется поворотом винта 4. конус у клапана 2 более тупой, чем у корпуса 1, усилие затяжки пружины 3 составляет 400…450 Н. Обе детали закалены (рис.35).

 

 

Рис. 35.Предохранительный клапан CR Bosch.

Аварийный ограничитель подачи топлива предотвращает опорожнение аккумулятора через форсунку с зависшей иглой или клапаном управления, а также повреждение соответствующего цилиндра дизеля. В нём используется принцип возникновения разности давлений по обе стороны от клапана 1 при прохождении топлива через его жиклёры 2. Сечение жиклёров, затяжка пружины 3 и диаметр клапана должны строго отвечать максимальной продолжительности и расходу, т.е. подаче топлива (рис.36).

 

Рис. 36. Аварийный ограничитель подачи топлива через форсунку CR Bosch.

 

. Рис. 32.

ü Улучшение топливной экономичности на 3..8%

ü Снижение шума работы двигателя

 

Рис. 33.Принципиальна схема системы питания дизеля Common Rail:

a – электронный коммутатор; b – датчики: температуры масла, температуры охлаждающей жидкости, температуры засасываемого в цилиндры воздуха, давления воздуха после турбокомпрессора; c – датчик положения кулачков распредвала; d – форсунки (каждая с пятью отверстиями); e – общая топливная магистраль; f – электронасос для подачи топлива; g – фильтр первичной очистки топлива; h – топливный бак; i – датчик частоты вращения коленвала; j – датчик положения педали акселератора или нагрузки на двигатель; k – топливный фильтр; l – топливный насос высокого давления (1350 бар при 3200 об/мин); m – подогреватель топлива; 1 – топливная магистраль низкого давления; 2 – топливная магистраль высокого давления; 3 – магистраль возврата топлива; 4 – электропровода