Гидродинамические характеристики и влияние на них конструктивных особенностей аппаратуры

Для анализа особенностей и прогнозирования возможных отклонений процессрв подачи топлива необходимо знать характер протекания (изменение по времени или углу поворота) давлений в характерных сечениях линии высокого давления (после на соса рт перед форсункой рпф, перед соплом рс). Характер изменения давления в значительной мере определяет законы перемещения нагнетательного клапана, иглы распылителя форсунки и, в конечном счете, характеристику впрыскивания, представляющую собой зависимость массы топлива, проходящего через распылитель форсунки, от времени или угла поворота вала топливного насоса дизеля. Эти гидродинамические характеристики в свою очередь определяют и такие основные параметры впрыскивания топлива, как продолжительность и запаздывание, максимальное давление впрыскивания, а также характеризуют стабильность и равномерность цикловых подач.

Экспериментально гидродинамические характеристики определяют путем осцил-лографирования с использованием специальных датчиков. Основным фактором, формирующим скорость перемещения жидкости, характер и уровень изменения по времени давления, является скорость плунжера топливного насоса или профиль топливного кулачка. Однако в связи с тем, что топливо - сжимаемая жидкость, одновременно с появлением во входном сечении линии нагнетания импульса давления, возникающего вследствие выталкивания топлива плунжером, в топливопроводе высокого давления начинается колебательный процесс, в котором от насоса к форсунке и в обратном направлении со скоростью звука (вт±1200 м/с) распространяются прямые и обратные волны, вызывая тем самым неустановившийся процесс движения сжимаемой жидкости. Взаимодействие основного импульса и волн между собой, а также влияние на их протекание промежуточных полостей, истечений через регулирующие и запирающие элементы аппаратуры, как правило, существенно иска жают характер распространения основного импульса. Искажение импульса может вызываться также упругостью стенок топливопровода, гидравлическими сопротивлениями, связанными с местными сужениями и шероховатостью стенок.

Вследствие резкого изменения проходной площади перед распыливающими отверстиями или закрывающимся запорным элементом происходит возмущение и торможение движения потока топлива, приводящее к возникновению гидравлического удара с резким повышением давлений в граничных сечениях. Все это предопределяет существенные различия как по характеру протекания давления в различных частях топливной системы, так и по значению давления, сравниваемого для одного и того же момента времени в разных сечениях.

Повышение давления ря в штуцере насоса (рис. 80, я, б, в, процессы 2) происходит одновременно с началом подъема нагнетательного клапана, в момент уравновешивания давлением в надплунжерном пространстве сил сопротивления перемещению нагнетательного клапана, в том числе силы упругости пружины и силы, определяемой остаточным давлением рж1 в системе. Характер изменения по времени давления в штуцере насоса наиболее близок к закону изменения скорости плунжера. Максимальное давление /)?ах определяется скоростью плунжера в момент отсечки. Начиная с момента отсечки, за счет резко увеличивающегося истечения топлива в отсечное отверстие подача в линию высокого давления соответственно уменьшается и начинается резкое снижение давления ря до момента посадки нагнетательного клапана. При этом еще до момента посадки клапана подача топлива в нагнетательный штуцер прекращается и начинается обратное перетекание топлива - разгрузка линии высокого давления системы. Разгрузка происходит и при повторном подъеме (подскоке) клапана. Давление ря после посадки иглы распылителя определяется процессом затухающих колебаний и количеством топлива, оставшегося в объеме высокого давления.

Давление топлива дф в полости корпуса форсунки (см. рис. 80, процесс 3) повышается с момента подхода волны подачи,

Рис. 80. Осциллограммы вариантов (а, б, в) протекания гидродинамических процессов в топливной аппаратуре дизеля 2Д100 на номинальном режиме:

1 - подъем иглы; 2 - давление после насоса; 3 - давление в форсунке; 4, 5 - нулевые линии давлений после насоса и в форсунке; б - давление в сопловом наконечнике; 7 - отметка времени; 8 - давление перед форсункой; 9 - нулевая линия давления перед форсункой

т. е. по истечении времени, равного после начала подъема нагнетательного клапана. Давление начала подъема иглы распылителя форсунки р|тр в динамике процесса впрыскивания превышает статически регулируемое на 2,5 -6,5 МПа в связи с необходимостью преодоления статической Силы трения. При статической регулировке начала впрыскивания сила трения покоя в такой же мере имеет место. Однако ее проявление по времени очень мало (время самоцентровки прецизионных поверхностей, разрушения облитерационных явлений и др.) по сравнению со временем подъема давления на испытательном стенде. Однако для действительных условий работы аппаратуры это время оказывается соизмеримым со временем нарастания давления, обеспечиваемого повышением скорости плунжера.

После достаточного открытия иглы распылителя (0,07 - 0,12 мм), в процессе ее движения до упора, давление в форсунке может уменьшиться и начнет снова нарастать после заполнения законусного пространства топливом с момента, соответствующего превышению подачи топлива

плунжером в единицу времени расхода топлива через сопловые отверстия. Момент достижения максимального давления рпф топлива перед форсункой и в объеме перед иглой Дф наступает после отсечки и смещен по отношению к моменту достижения р^ах на время хода волны подачи. Истечение топлива через сопловые отверстия продолжается и после отсечки за счет расширения оставшегося сжатого в системе топлива.

Скорость падения давления в объеме форсунки в результате разгрузки через сопловые отверстия и проходное сечение клапана во многом определяет характер окончания впрыскивания. Так, в первом варианте (см. рис. 80, я) после начала движения иглы от упора давление успевает снизиться до значений 10-9 МПа. Это позволяет приобрести игле большую скорость к моменту подъема давления в форсунке в результате начавшегося процесса свободных колебаний и, следовательно, преодолев его за счет инерционных сил, опуститься на седло. Скорость иглы в момент посадки в этом случае составляет 0,8-1,2 м/с, что вызывает достаточно

Изменение максимальных давлений в топливной аппаратуре дизеля 2Д100 в зависимости от частоты вращения и положения рейки /ip/(?<sub>max</sub> = 290 г за 800 ходов плунжера при п = 850 об/мин)

Рис. 81. Изменение максимальных давлений в топливной аппаратуре дизеля 2Д100 в зависимости от частоты вращения и положения рейки /ip/(?max = 290 г за 800 ходов плунжера при п = 850 об/мин):

1 - после насоса; 2 - в форсунке большой подскок иглы из-за не вполне упругого соударения ее с седлом корпуса и тем самым обеспечивает действие повышающегося во втором полупериоде коле бательного цикла давления />ф на всю площадь иглы. Такое одновременное сочетание подскока и повышающегося давления в форсунке до значений, превышающих давление начала отхода иглы от упора, приводит к повторному подъему иглы на 0,2 -0,3 мм, а следовательно, к дополнительному впрыскиванию на угле 3,5 -4,0°. Во втором варианте (см. рис. 80,6) вследствие более ранней посадки клапана и, следовательно, меньшей разгрузки линии высокого давления системы давление в первом полупериоде колебательного цикла выше, чем в предыдущем варианте, и, кроме того, сам процесс свободных колебаний начинается раньше, смещаясь к моменту отсечки. Это приводит к тому, что сразу после отхода иглы от упора давление в объеме форсунки повышается настолько, что оно в состоянии замедлить движение иглы к седлу. В этом случае общая продолжительность впрыскивания может увеличиться на 3,5 -4,0° и повысится коэффициент подачи. В третьем варианте (см. рис. 80, в) отход иглы от упора начинается раньше в связи с увеличенной в пределах допусков дифференциальной площадью

Осциллограммы вариантов (а) и (6) протекания гидродинамических процессов в топливной аппаратуре дизеля 10Д100 на номинальном режиме (обозначения см. рис. 80)

Рис. 82. Осциллограммы вариантов (а) и (6) протекания гидродинамических процессов в топливной аппаратуре дизеля 10Д100 на номинальном режиме (обозначения см. рис. 80)

иглы. Здесь игла также не успевает приобрести достаточную скорость, а давление не достигает значения, способного остановить ее движение. Однако движение иглы замедляется, вызывая увеличение угла впрыскивания на 1,5 -2,0°. При этом скорость в момент посадки 0,1 - 0,2 м/с. Сочетание в момент посадки иглы снижающегося давления в полости форсунки с небольшим подскоком иглы или полным его отсутствием, что обеспечивает действие давления практически только на площадь, близкую к дифференциальной площади иглы, объясняет в данном случае отсутствие подвпрыскивания.

Характер изменения давления рс в сопловом наконечнике (см. рис. 80, процесс 6) на участках полного подъема иглы соответствует характеру изменения давления в форсунке и при правильно выбранном ри /и максимальное давление впрыскивания мало отличается от максимального давления, достигаемого в полости перед конусом иглы. При неполных подъемах иглы, меньших 0,35 мм, или кратковременных до упора (0,5 мм) максимальное давление впрыскивания соответственно снижается вследствие дросселирования в конусе иглы. При этом изменяется также и характер протекания давления впрыскивания. Максимальное давление впрыскивания в сопловом наконечнике при подвпрыскивании на рассматриваемом режиме составляет 10 - 11 МПа и еще более снижается при уменьшении подачи.

Максимальные давления в сечениях системы (рис. 81) для режима номинальной мощности дизеля 2Д100 составляют 38 - 40 МПа и снижаются с уменьшением частоты вращения и выдвижением рейки в сторону уменьшения подачи, соответствующей работе дизеля на холостом ходу, до 27,5 - 21,5 МПа. Интересно при этом взаимное расположение кривых изменения давлений и /$ах, явно зависящих от наложения прямых и отраженных волн колебательного процесса давления.

Характер окончания впрыскивания при форсировании системы по подаче до режимов дизеля 1 ОД 100 (рис. 82) в основном соответствует разобранным случаям. Однако в связи с более поздней отсечкой при возрастающей скорости плунжера и вследствие этого увеличивающихся максимальных давлений во всех характерных сечениях системы до 59 - 63 МПа давление после посадки клапана выше на 10 - 11 МПа, чем при работе в режиме дизеля

Характеристики впрыскивания топлива (а, б) при « = 850, 610 и 400 об/мин и положениях рейки, соответствующих

Рис. 83. Характеристики впрыскивания топлива (а, б) при « = 850, 610 и 400 об/мин и положениях рейки, соответствующих:

1,2 - максимальной подаче насоса дизелей 10Д100 и 2Д100; 3 - минимальной подаче 2Д100. Это резко повышает давление первых амплитуд колебательного цикла и тем самым способствует повторному подъему иглы (подвпрыскиванию) до упора и, как правило, обеспечивает следующее за ним второе подвпрыскивание (см. рис. 82, а). При более ранней посадке клапана (см. рис. 82, б) дополнительный подъем иглы сливается с основным.

На рис. 83 для топливной аппаратуры дизелей типа Д100 приведены варианты характеристик впрыскивания, представляющих собой распределение количества поданного за цикл топлива в миллиграммах на градус поворота кулачкового вала.

Средняя продолжительность основного и дополнительного впрыскиваний топливной аппаратурой 2Д100 в зависимости от частоты вращения и положения рейки

Рис. 84. Средняя продолжительность основного и дополнительного впрыскиваний топливной аппаратурой 2Д100 в зависимости от частоты вращения и положения рейки:

1 - п = 850 об/мин; 2 -и = 610 об/мин, 3 - п = 400 об/мин

Характеристики построены по экспериментальным данным при положениях реек, соответствующих максимальной (7-1 ОД 100, 2-2Д100) и минимальной (3) регулировочным подачам и частотам вращения 850, 610 и 400 об/мин. При перемещении рейки увеличение подачи топлива идет как за счет увеличения продолжительности впрыскивания, так и нарастания массы поданного топлива на каждый градус угла поворота кулачкового вала.

Зависимости средней продолжительности основного и дополнительного впрыскивания от изменения частоты вращения и положения рейки приведены на рис. 84. Продолжительность основного впрыскивания при работе аппаратуры в режиме номинальной мощности дизеля 2Д100 составляет 18,5 - 21,5° и уменьшается с понижением частоты вращения вследствие увеличения времени для поворота коленчатого вала на 1 ° при относительно меньшем снижении скорости истечения топлива, а также с уменьшением выхода рейки вследствие сокращения количества впрыскиваемого топлива. На режиме номинальной мощности дизеля 1 ОД 100 (см. рис. 83) общая продолжительность впрыскивания увеличивается до 25,5 - 27°.

Продолжительность дополнительного впрыскивания на различных режимах работы зависит, как это было показано выше, от многих факторов общей настройки гидравлической системы. Наибольшая продолжительность дополнительного впрыскивания наблюдается на режиме 850 об/мин и может составлять по количеству от номинальной подачи для аппаратуры дизеля 2Д100 - от 3 до 6%, 10Д100 - от 9 до 12%. Относительно большая продолжительность впрыскивания и существенное подвпрыскивание требуют дополнительной доводки топливной аппаратуры при работе ее в режиме дизелей 1 ОД 100. Характер протекания гидродинамических процессов топливоподачи в топливных системах других тепловозных дизелей во многом аналогичен подробно разобранному выше для топливной аппаратуры дизелей типа Д100. В аппаратуре дизелей типа Д50 (рис. 85) для стабилизации процессов на рабочих режимах применен клапан с разгружающим пояском. В случае применения серийного клапана старой конструкции, обеспечивающего частичную разгрузку (см. рис. 85,а,р0„ = 14,8 МПа), протекание процесса характеризуется повторным впрыскиванием, следующим после основного через

1-2° поворота кулачкового вала. Появление повторного подъема иглы вызывается колебательным волновым процессом с амплитудой первого цикла, превышающей давление начала подъема иглы распылителя форсунки. Для обеспечения полной разгрузки системы высокого давления, а также устранения влияния объема полости штуцера в этой аппаратуре применен новый клапан. Клапан с более высокой степенью разгрузки устраняет появление подвпрыскиваний, хотя в этом случае при уменьшении частоты вращения до 200 об/мин скорость плунжера в начальный момент подачи оказывается недостаточной

Рис. 85. Осциллограммы гидродинамических процессов в топливной аппаратуре дизелей типа

Д50 для клапанов:

а - старая конструкция; о - новая конструкция: 1 -подъем иглы, 2 - давление в топливопроводе, 1 - режим номинальной мощности (дц = 1,46 г, п = 375 об/мин); //-режим частичной нагрузки (</.. = 0,825 г, п =

= 200 об/мин)

Осциллограмма гидродинамических процессов в топливной аппаратуре дизеля 11Д45 на режиме номинальной мощности при = 0, 746 г, п = 750 об/мин; 10 - подъем плунжера (остальные обозначения см. рис. 80)

Рис. 86. Осциллограмма гидродинамических процессов в топливной аппаратуре дизеля 11Д45 на режиме номинальной мощности при = 0, 746 г, п = 750 об/мин; 10 - подъем плунжера (остальные обозначения см. рис. 80)

для одновременного повышения давлений в системе и обеспечения расхода топлива через сопловые отверстия, что приводит к ступенчатости впрыскивания и увеличению общей продолжительности подачи на 3-5°.

В топливной аппаратуре дизелей типа Д40 также использовано разгрузочное действие клапана (рис. 86), приводящее к стабилизации остаточного давления в пределах 1-4 МПа, что обеспечивает сведение к минимуму условий появления подвпрыскиваний на всех режимах работы. Однако применение клапанов с разгружающим действием в этой аппаратуре, так же как и в топливной системе дизеля типа Д50, является одной из причин смещения зон стабильной работы на режимах холостого хода в область цикловых подач, превышающих 0,15 - 0,17 г. В топливной аппаратуре дизелей типа Д49 процессы впрыскивания (рис. 87) также характеризуются отсутствием подвпрыскиваний на всех рабочих режимах. Качество процессов окон чания впрыскивания в значительной мере определяется оптимальностью подбора диаметра и длины топливопровода. В то же время отсутствие разгружающего действия нагнетательного клапана предопределяет высокое остаточное давление (/’ост = 9-5-13 МПа) и, кроме того, имеются значительные потери по длине нагнетательного тракта (ри - рс = 25 -г- 30 МПа).

Основные параметры топливоподачи на регулировочных режимах, обеспечивающих номинальную мощность для топливных систем ряда тепловозных дизелей, приведены в табл. 18.

Для оценки работы топливной аппаратуры важны также ее гидродинамические характеристики на режимах частичных и малых подач при частоте холостого хода дизеля. Со снижением частоты вращения пропорционально уменьшается скорость развития волны подачи, в основном опре-

Таблица 18

Тип дизеля Параметры дизеля Параметры топливоподачи
Цилиндровая мощность,

кВт

Номинальная частота вращения, об/мин Цикловая подача, г Продолжительность впрыскивания п. к. в. насоса Макси мальное

давление,

МПа

в форсунке в сопле
2Д100 147 850 0,36x2 21 41,2 40,2
10Д100 220 850 0,54 х 2 26,5 58,8 56,9
2Д50 123 740 1,35 20 59,8 -
ПД1 147 750 1,46 22 66,1 -
14Д40 123 750 0,65 18 - 61,6
11Д45 137 750 0,74 21 77,5 -
1-5Д49 137 1000 1,13 16 - 63,5
2-5Д49 184 1000 1,43 19 - 69,0
М756 61 1500 0,305 14 48 -
2Д70 137 1000 1,04 15 81,5 -
16ЬУА24 184 1050 1,25 22 125 100

деляемая объемом, описываемым плунжером в единицу времени. Это вызывает, как было показано выше (см. рис. 81), снижение давлений в системе, в том числе в полости форсунки перед иглой распылителя. При определенной частоте вращения объем топлива, досылаемый плунжером в единицу времени, может оказаться недостаточным для одновременного обеспечения нарастания давления и расхода топлива через сопловые отверстия. Это приводит к неполному подъему иглы, а следовательно, и дросселированию потока топлива в конусе распылителя. Кроме того, при впрыскивании малых порций подача топлива плунжером становится кратковременной. При определенной цикловой подаче продолжительность волны подачи в течение активного хода плунжера становится меньше времени, затрачиваемого на подъем до упора иглы распылителя форсунки.

Кратковременность процесса и несоизмеримость скорости перемещения плунжером объема топлива с расходной характеристикой форсунки приводят к нерегулярным и нестабильным процессам подачи. Снижение давления в форсунке, а также дросселирование потока топлива при неполных подъемах иглы, вызывающее дальнейшее резкое уменьшение давления в сопле перед распыливающими отверстиями, приводит в свою очередь к ухудшению таких показателей впрыскивания, как однородности распыленного топлива и длины струи. Типичным примером нестабильной и нерегулярной работы топливной аппаратуры в зоне малых подач являются осциллограммы (рис. 88). Каждая подача, при которой не произошло впрыскивания, вызывает повышение остаточного давления р'жт до значения р’^, близкого к давлению, необходимому для открытия иглы распылителя форсунки.

После каждой подачи, сопровождающейся впрыскиванием, остаточное давление резко падает. В зависимости от остаточного давления подача топлива насосом при следующем ходе плунжера будет использоваться в основном на поднятие давления в линии нагнетания и частично на впрыскивание или только на поднятие остаточного давления, как это было в первом случае. При неравномерных, но регулярных впрыскиваниях происходит то же самое, однако разница между максимальными и минимальными давлениями следующих друг за другом впрыскиваний меньше.

Осциллограммы гидродинамических процессов в топливной аппаратуре дизелей типа Д100 на режиме холостого хода при п = 400 об/мин, д/р = = 0,08 г; обозначения см. рис. 80

Рис. 88. Осциллограммы гидродинамических процессов в топливной аппаратуре дизелей типа Д100 на режиме холостого хода при п = 400 об/мин, д/р = = 0,08 г; обозначения см. рис. 80

Анализ характеристик впрыскивания топлива аппаратурой дизелей типа Д100

900 990 п,об/тн

Рис. 89. Зависимость цикловой подачи qu, подъема иглы Ли, давлений перед форсункой И в сопле рс от частоты вращения вала п при постоянном положении рейки в зоне подач холостого хода дизеля типа Д100

при частоте вращения холостого хода 400 об/мин и нерегулярных процессах указывает и на изменение угла запаздывания впрыскивания до 6 ° в сторону увеличения и до 2° в сторону уменьшения (см. рис. 83, вариант б), что является дополнительным отрицательным фактором. Влияние скоростного режима на изменение подъема иглы и давление в сопле при постоянном положении рейки в зоне подач, необходимых для обеспечения работы дизеля типа Д100 на холостом ходу, показано на рис. 89. При уменьшении частоты вращения с 610 до 400 об/мин за счет снижения скорости перемещения плунжера й увеличения по времени продолжительности подачи одинакового количества топлива подъем иглы уменьшается с 0,4 до 0,15 мм. Одновременно в связи с дросселированием уменьшается и максимальное давление в сопле с 15,7 до 5,9 МПа при примерно постоянном давлении в форсунке (23,5 - 21,5 МПа).

В топливной аппаратуре, имеющей в насосе клапаны с разгружающим пояском, пропуски впрыскивания и неравномерность малых подач могут быть еще обусловлены и нарушением соотношения между объемом топлива, подаваемым плунжером в течение активного хода, и объемом, освобождаемым клапаном при его перемещении. В этом случае непосредственного перетекания топлива из надплунжерного пространства в полость штуцера насоса может и не быть, так как нижняя кромка разгружающего пояска клапана может не выйти из направляющей седла, а топливо из полости штуцера будет выталкиваться в топливопровод поднимающимся клапаном. Истечение топлива из сопла форсунки при этом лишь в незначительной степени будет определяться движением плунжера.

Влияние технологических допусков на характеристики подачи топлива | Топливные системы тепловозных дизелей. Ремонт, испытания, совершенствование. | Улучшение работы аппаратуры на режиме холостого хода