CC BY
184
УДК 621.436
Ю. П. МАКУШЕВ Л. Ю. ВОЛКОВА
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, г. Омск
Калининградский государственный технический университет
ВЫБОР ЭФФЕКТИВНОГО ПРОХОДНОГО СЕЧЕНИЯ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВПРЫСКА ТОПЛИВА ДЛЯ ДИЗЕЛЕЙ С ЦИЛИНДРОВОЙ МОЩНОСТЬЮ ДО 250 кВт_
Приведены методика расчета и номограммы для выбора эффективного проходного сечения распылителей форсунок для дизелей различной цилиндровой мощностью. Предложена диаграмма, позволяющая в зависимости от давления топлива в аккумуляторе и времени впрыска, определять цикловую подачу при однофазных и многофазных впрысках.
Ключевые слова: распылитель, эффективное проходное сечение, сопловые отверстия, дифференциальная характеристика впрыска.
Главным параметром распылителя форсунки является его эффективное проходное сечение определяемое при подъеме иглы. Величина | называется коэффициентом расхода, который равен 0,62 — 0,82 [1] и представляет собой отношение действительного расхода к теоретическому расходу. Суммарная площадь сопловых отверстий Р зависит от диаметра отверстий и их количества. Величина |!_Р для распылителей дизелей с цилиндровой мощностью от 10 до 250 кВт лежит в пределах 0,1 — 1,0 мм2.
В качестве примера определим расчетным путем суммарное значение проходного сечения сопловых отверстий распылителя, их число и диаметр для подачи топлива в камеру сгорания дизеля КамАЗ-740.63-400 мощностью 295 кВт при частоте вращения вала двигателя 1900 мин-1. Мощность одного цилиндра равна 36,9 кВт. Среднее давление перед сопловыми отверстиями принимаем равным 40 МПа (максимальное 67 МПа), а плотность топлива — 850 кг/м3.
Процесс подачи топлива осуществляется при помощи насоса высокого давления, который соединен трубопроводом с форсункой. На рис. 1 приведена конструкция форсунки с гидромеханическим управлением хода иглы. Давление начала открытия иглы форсунки равно 26+0,5 МПа, диаметр иглы 5 мм, число сопловых отверстий в распылителе 5, а их диаметр равен 0,3 мм.
Для полной мощности дизеля КамАЗ-740.63-400 определим цикловую подачу топлива в мм3 по формуле [2]:
_ де Nе-1000 _ 210-295-1000 _1Ш 4ц г-пн-рТ -60 8-950-0,85-60 ,
где де — удельный эффективный расход топлива, 210 г/(кВт- ч); N — полная (номинальная) мощность дизеля, 295 кВт; г — число цилиндров, 8; пн — частота вращения вала насоса, 950 мин-1; рТ — плотность топлива, 0,85 г/см3.
Для оценки расчетного значения |!_Р определим теоретическую скорость истечения дизельного топлива через сопловые отверстия
JТ =V2-АР/рТ ,
(2)
где АР — средний перепад давления топлива перед сопловыми отверстиями, Па (Н / м2) берется с учётом давления газов в цилиндре.
JT =V2-400-105 /850 = 306 м/с .
(3)
Объемный расход топлива О в м3/с определим из выражения
О _|Р-3Т, (4)
где — эффективное проходное сечение распылителя, м2.
Объемный расход топлива за цикл в мм3/с определим по его количеству (дц), поданному в камеру сгорания за время впрыска т
Q=q/T.
(5)
Зная продолжительность впрыска фв в градусах (например, 10о), частоту вращения вала насоса пн в мин-1, время впрыска определим из выражения
Рис. 1. Форсунка: 1 — корпус распылителя с сопловыми отверстиями; 2 — гайка; 3 — проставка; 4 — штифт; 5 — штанга; 6 — корпус форсунки; 7 — кольцо; 8 — штуцер; 9 — фильтр; 10 — прокладка; 11 — регулировочные прокладки; 12 — пружина; 13 — игла
ф = 6-л н 6-950
-=0,001754 с.
(6)
*с =
4 - Р
4 -0,075 3,14
= 0,3 мм.
(9)
qц =т¥-ф V2-АР/Рг '1000.
6-л н
(10)
Рис. 2. Номограмма для определения |иР
в зависимости от и фВ : 0,1 мм2; 2 — 0,2 мм2; 3 — 0,3 мм2; 4 — 0,4 мм2
Величина действительного объёмного расхода топлива через форсунку составит 0=160/ 0,001754 = = 914285 мм3/с = 0,000914 м3/с, откуда
тР = 0/0т, (7)
|¥ = 0,000914/306 = 0,00000299 м2 = 0,3 мм2.
Цикловая подача топлива проверялась по формуле (8) и равна расчетной величине, полученной из выражения (1)
qц =|Р т $д -1000 = 0,3^0,001754^306^ 1000 =
= 160 мм3. (8)
При коэффициенте расхода, равном 0,8, суммарная площадь сопловых отверстий составит 0,375 мм2. При числе сопловых отверстий 5, площадь сечения одного сопла ¥с составит 0,075 мм2. По известной величине площади соплового отверстия определим его диаметр б.с
Для определения необходимого значения |¥ в зависимости от цикловой подачи топлива qц и продолжительности впрыска фВ (интенсивности подачи топлива) предлагается номограмма [2]. Общая формула для расчета номограммы имеет вид
Величина скорости $т зависит от АР. Так, для АР = 40 МПа значение $т достигает 306 м/с. Для постоянных значений |¥, АР и лн, но переменной фВ (например, 10; 15; 20; 25о) определялась величина q . q = 160 мм3 и |¥ =0,3 мм2.
Рис. 3. Влияние давления топлива перед сопловыми отверстиями на продолжительность впрыска
По найденным значениям qц проводилась линия (например, для |¥=0,1 мм2).
Каждая линия поля номограммы соответствовала постоянному значению |¥ и неизменной скорости истечения топлива из сопла $т. Изменялась только продолжительность впрыска фВ, а определялась цикловая подача топлива qц.
На рис. 2 представлена номограмма, построенная для лн = 950 мин-1, АР = 40 МПа, рт=850 кг/м3. Номограмма позволяет предварительно оценить величину эффективного проходного сечения распылителей для тракторных и автомобильных дизелей с цилиндровой мощностью от 10 до 70 кВт.
По данной номограмме для заданной цикловой подачи топлива и требуемой продолжительности впрыска рекомендуется выбирать соответствующую величину эффективного проходного сечения распылителя. Например, для цикловой подачи топлива qц =160 мм3 и фВ=10° величина | ¥ =0,3 мм2. Выбранная величина |¥ уточняется при доводке рабочего процесса дизеля.
На рис. 3 показана кривая зависимости продолжительности впрыска от величины давления перед сопловыми отверстиями АР. Необходимую интенсивность впрыска можно получить не только подбором |¥, но и величины давления АР. С увеличением давления АР продолжительность впрыскивания фВ уменьшается. График построен для лн = 950 мин-1,
1
71
мм
т
% 300
200
4
3^
2
1
12 %
18 20
град
Рис. 4. Номограмма для определения |иР в зависимости от и фВ : 1 — 0,3 мм2; 2 — 0,4 мм2; 3 — 0,5 мм2; 4 — 0,6 мм2
Рис. 5. Номограмма для определения |иР в зависимости от и фВ : 1 — 0,6 мм2; 2 — 0,7 мм2; *3 — 0,8 мм2; 4 — 0,9 мм2; 5 — 1 мм2
На рис. 4 показана номограмма, которая построена для пн = 800 мин-1, АР = 40 МПа, рТ=850 кг/м3. Номограмма позволяет определить |Р для дизелей с цилиндровой мощностью от 40 до 120 кВт.
На рис. 5 предложена номограмма, построенная для пн = 500 мин-1, АР = 40 МПа, рТ=850 кг/м3. Номограмма позволяет определить эффективное проходное сечение распылителей для тепловозных и судовых дизелей цилиндровой мощностью от 100 до 250 кВт.
Основным недостатком форсунок с гидромеханическим управлением иглы является неизменность характеристики подачи топлива на конкретном режиме работы двигателя, что не позволяет изменять ее форму и разбивать на требуемые участки. На рис. 6 представлена дифференциальная характеристика впрыска топлива дизеля КамАЗ-740 при его работе с дц =100 мм3 на режиме номинальной мощности [3]. Дифференциальная характеристика представляет собой расход топлива, поступивший из распылителя в любой момент времени.
Для изменения характеристики впрыска используют, например, аккумуляторные системы подачи топлива с электронным управлением хода иглы форсунок [4]. Это позволяет получать многофазные характеристики впрыска топлива, а также изменять угол опережения подачи топлива. Управление процессом впрыска способствует снижению расхода топлива, уменьшению жесткости сгорания и токсичности отработавших газов.
На рис. 7 приведена принципиальная схема форсунки с электрогидравлическим управлением хода иглы. Под действием пружины 2 якорь 3 находится в нижнем положении и конусом штока закрывает отсечное отверстие 4. Из аккумулятора 12 с постоянным давлением, например, 100 МПа топливо поступает в подводящий канал 10 форсунки, а также через впускной канал 11 в камеру управления 13. Давление топлива во всех полостях форсунки выравнивается.
Площадь управляющего поршня 5 больше площади иглы, по этой причине сила со стороны поршня превышает силу со стороны иглы 8 и она находится в неподвижном закрытом состоянии.
При подаче управляющего сигнала на обмотку электромагнита 1 якорь 3, преодолевая усилие пружины 2, движется вверх, открывая отсечное отверстие 4. Давление в камере управления 13 резко снижается, усилие со стороны иглы 8 превысит усилие со стороны поршня 5 и игла будет двигаться вверх. Топливо из аккумулятора 12 поступает к сопловым отверстиям 9 и в распыленном виде подается в камеру сгорания. Подача топлива за впрыск зависит
Рис. 6. Дифференциальная характеристика впрыска топлива
Рис. 7. Форсунка с электромагнитным управлением
от величины давления в аккумуляторе 12, длительности управляющего сигнала в обмотке электромагнита 1 и эффективного проходного сечения распылителя
Оптимальные условия создаются в камере сгорания в результате применения предварительного впрыска топлива. Сгорание небольшой запальной дозы топлива (10-20 % от значения дц) усиливает подогрев камеры сгорания и повышает в ней турбулентность потока воздуха. Основная порция топлива при последующем впрыске имеет более короткий период задержки воспламенения, сгорает с меньшей жесткостью и токсичностью отработавших газов.
мм 2^0 220 200 180 160 %0
60 М 20
А ш Ш
V
-Рак Л*®'
\ пе-
12 град
0,5
1.5
т
Рис. 8. Зависимость цикловой подачи топлива от давления в аккумуляторе и продолжительности впрыска
(М7 =
0,15 мм2, лц=1000 в минуту)
Объемную теоретическую подачу топлива из распылителя за впрыск (цикловую подачу, м3) можно определить по формуле (10), в которой необходимо учитывать величину давления топлива в аккумуляторе.
Выбор величины /л¥ зависит от значения постоянного давления в аккумуляторе, количества фаз впрыска, времени впрыска и подачи топлива в каждой фазе. Предварительный расчет [л¥ для форсунок с электронным управлением выполняется по формулам, приведенным в данной работе.
Время впрыска для продолжительности фВ =12о и частоте циклов впрыска топлива в минуту лц = 1000 согласно формуле (6) будет равно 0,002 с.
Для однофазного впрыска при РАК = 100 106 Н/м2 и рт=850 кг/м3 величина $т=480 м/с. Для |¥ = = 0,1510-6 м2 и времени впрыска 0,002 с количество поданного топлива за впрыск составит 14410-9 м3, или 144 мм3. При увеличении времени впрыска до 0,00223 с цикловая подача будет равна 160 мм3.
Управлять интенсивностью и формой дифференциальной характеристики впрыска можно величиной давления в аккумуляторе, длительностью и паузами сигнала, поданного на катушку электромагнита.
На рис. 8 показана зависимость величины цикловой подачи от продолжительности впрыска в мс и в градусах и от давления топлива в аккумуляторе (РАК). Диаграмма позволяет для различных величин РАК и времени впрыска определять цикловую подачу при однофазных и многофазных впрысках.
На рис. 9 приведена характеристика с запальной и основной подачей топлива (двухфазная характеристика) аккумуляторной системой с электромагнитным управлением хода иглы форсунки. Площадь под кривой в определенном масштабе представляет собой действительную подачу топлива за цикл (впрыск). Для общей продолжительности впрыска 0,001 с и средней скорости впрыскивания dV/dt, равной 47.103 мм3/с топливоподача за впрыск составит 47 мм3. Необходимая величина запальной и основной порции топлива и интервал между впрысками регулируется электронным блоком управления.
В настоящее время кроме форсунок с электромагнитным управлением хода иглы распылителя применяют форсунки с пьезокварцевым управлением. При подаче высокого напряжения на столбик пластин, изготовленных из природного кварца, его длина
Рис. 9. Дифференциальная характеристика с запальной и основной подачей топлива
изменяется, что позволяет осуществлять несколько подъемов и посадок иглы форсунки за время подачи топлива в камеру сгорания. Принцип работы форсунки с пьезокварцевым управлением не отличается от форсунки с электромагнитным управлением, изображенной на рис. 7.
Выводы.
1. В данной работе приведены методика и номограммы, позволяющие определять эффективное проходное сечение распылителей форсунок с механическим и электронным управлением хода иглы для дизелей с цилиндровой мощностью от 10 до 250 кВт.
2. Для управления процессом подачи топлива необходимо использовать аккумуляторные системы и применять форсунки с электромагнитным или пьезокварцевым управлением, что позволит осуществлять несколько впрысков в процессе подачи топлива в камеру сгорания.
3. Приведена диаграмма, позволяющая для различных величин давления топлива в аккумуляторе и времени впрыска определять цикловую подачу при однофазных и многофазных впрысках.
Библиографический список
1. Трусов, В. И. Форсунки автотракторных дизелей / В. И. Трусов, В. П. Дмитриенко, Г. Д. Масляный. — М. : Машиностроение, 1977. — 167 с.
2. Волкова, Л. Ю. Определение эффективного проходного сечения распылителя дизеля расчетным и экспериментальным путем, его изменение в процессе образования кокса / Л. Ю. Волкова // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2014. — № 3 (133). — С. 117—120.
3. Расчет систем и механизмов двигателей внутреннего сгорания математическими методами : учеб. пособие / Ю. П. Ма-кушев, Т. А. Полякова, Л. Ю. Михайлова [и др.] ; под ред. Ю. П. Макушева. — Омск : СибАДИ, 2011. — 284 с.
4. Системы управления дизельными двигателями : [пер. с нем.] / Ю. Г. Грудский. — 1-е рус. изд. — М. : ЗАО «КЖИ За рулем», 2004. — 480 с.
МАКУШЕВ Юрий Петрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Тепловые двигатели и автотракторное электрооборудование» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
Адрес для переписки: makusev321@mail.ru ВОЛКОВА Лариса Юрьевна, старший преподаватель кафедры «Судовые энергетические установки и теплоэнергетика» Калининградского государственного технического университета. Адрес для переписки: volkova0969@mail.ru.
Статья поступила в редакцию 19.02.2015 г. © Ю. П. Макушев, Л. Ю. Волкова
