Изменения давления насоса и форсунки в судовом двигателе
Опубликовано: 27.08.2018
Раздел: Б
Характер изменения давления у насоса, у форсунки и соответственно закон впрыска определяются конструктивными показателями топливной аппаратуры, скоростным режимом двигателя и физическими параметрами топлива (плотностью и вязкостью). К основным конструктивным показателям относятся:
Диаметр плунжера dпл, характер зависимости скорости его движения от времени Спл(т); Диаметр и длина форсуночного трубопровода (dтр, 1тр), диаметр и количество сопловых отверстий (dс, iс); Наличие и конструкция нагнетательного клапана.Если не учитывать сжимаемость топлива, то в соответствии с формулой сплошности можно написать для полости нагнетания насоса:
fпл • Спл = fтр • Стр (№3)
где fпл, fтр — площади поперечного сечения плунжера ТНВД и форсуночного трубопровода;
Спл, Стр — скорости движения плунжера и топлива в форсуночном трубопроводе. Импульс давления Рно, создаваемый плунжером в начале форсуночного трубопровода, связан со скоростью движения топлива в трубопроводе Стр зависимостью:Рно = Стр • ар (№4)
где ар = W — удельное волновое сопротивление столба топлива в трубопроводе;
р — плотность топлива.Связь давления и скорости в гидродинамической системе аналогична закону Ома для участка электрической цепи:
U = I • R Аналогом давления служит напряжение U, скорости топлива — ток I; Удельного волнового сопротивления W — электрическое сопротивление R.Поскольку давление у насоса при наличии нагнетательного клапана в начале форсуночного трубопровода складывается из давления импульса Рно и остаточного давления в форсуночном трубопроводе Ро, то в общем случае можно записать такую зависимость для давления у насоса (с учетом равенства (№3)):
P h = C m p ⋅ α p + P 0 = f п л С п л f m p ⋅ α ρ + P 0 = d п л d m p 2 ⋅ C п л ⋅ α ρ + P 0
где Ро — остаточное давление в форсуночном трубопроводе.
Приведенная формула не учитывает сжимаемость топлива и влияние подошедшей к насосу отраженной от форсунки волны давления, однако позволяет оценить влияние основных конструктивных факторов ТНВД и форсуночного трубопровода, а также физических параметров топлива и скоростного режима на давление в системе.
Как видно из формулы (№5):
давление в системе растет пропорционально квадрату диаметра плунжера d2пл, и обратно пропорционально квадрату диаметра трубопровода d2тр; с переходом на более тяжелое топливо следует ожидать увеличения давления в системе пропорционально увеличению плотности р; увеличение скорости вращения коленчатого вала приводит к пропорциональному возрастанию скорости движения плунжера:Спл, = dhпл / dт = dhпл / d(φ / 6n) = 6n dhпл / dφ (№6)
Следовательно, при прочих равных условиях давление в системе пропорционально частоте вращения коленчатого вала n.
Конструкция нагнетательного клапана находит свое выражение в величине Ро. Основное назначение нагнетательного клапана — обеспечить остаточное давление в форсуночном трубопроводе Ро и тем самым повысить среднее давление впрыска по сравнению с давлением импульса, создаваемого движением плунжера. При отсутствии нагнетательного клапана (малооборотные двигатели Бурмейстер и Вайн) остаточное давление равно нулю: Ро = 0.
Влияние длины форсуночного трубопровода и вязкости топлива проявляется через уменьшение амплитуды волны давления при прохождении по форсуночному трубопроводу:
Рфо = Рно • е — β1тр (№7)
где β — коэффициент затухания волнового процесса;
е — основание натурального логарифма.Коэффициент затухания возрастает с увеличением вязкости топлива. Чем больше β и 1тр, тем больше потери давления в трубопроводе при прохождении волны от насоса к форсунке.
Зависимость параметров топливоподачи от конструкции распылителя проявляется через отраженную волну давления. Так, если представить крайний случай — все сопловые отверстия распылителя засорены, форсуночный трубопровод фактически заглушен на конце, — то прямая волна давления полностью отразится у форсунки, а суммарное давление у форсунки будет равно удвоенной амплитуде прямой волны: Рф = 2Рфо.
При подходе этой отраженной волны к насосу она отразится вторично, вызовет соответствующее возрастание давления у насоса и т. д. Теоретически давление в системе будет возрастать до бесконечности, практически — до срабатывания предохранительного клапана на ТНВД или до разрыва форсуночного трудопровода.
Предположим, что проходное сечение распылителя (количество и диаметр сопловых отверстий) будет постепенно увеличиваться от заглушенного состояния. Очевидно, что при этом амплитуда отраженной волны у форсунки будет уменьшаться по сравнению с заглушенным трубопроводом. Наконец, при вполне определенном количестве и диаметре сопловых отверстий наступит режим, при котором отраженная волна у форсунки будет отсутствовать, а давление Рф будет меньше давления Ри лишь на величину потерь при прохождении волны по форсуночному трубопроводу.
Такие условия работы топливной системы являются оптимальными; дизелестроители стремятся обеспечить такие условия работы рациональным выбором числа и диаметра сопловых отверстий.
Если продолжить увеличение проходных сечений распылителя далее, то в системе появится так называемая «отрицательная» отраженная волна — давление у форсунки снижается по сравнению с амплитудой прямой волны, в конце топливоподачи появляется «разрыв сплошности» потока, топливо вытекает из распылителя. В распылитель проникают горячие газы, он перегревается.
При этом закоксовываются сопловые отверстия, может зависнуть игла форсунки, ухудшается распыливание топлива, перегревается поршень цилиндра. По указанной причине фирменные инструкции по эксплуатации ДВС требуют замены распылителей при разработке сопловых отверстий более, чем на 10%.
Обычно для судовых дизелей параметры топливоподачи имеют значения:
максимальное давление в системе — 60,0 — 95,0 (150,0) мПа; среднее давление составляет 50-85% от максимального; максимальная скорость плунжера у малооборотных ДВС 0,8 — 1,8 м/сек, закон изменения скорости — трапецеидальный (рис. 3); у высокооборотных двигателей максимальная скорость плунжера доходит до 2,5 -3,5 м/сек, закон изменения скорости — треугольный или близкий к нему (рис. 3).
Рис. 3 Характер изменения хода h и скорости С плунжера у малооборотных (А) и высокооборотных (Б) дизелей
Максимальный диаметр плунжера достигает 40-65 мм, ход плунжера — 50-80 мм. Максимальные цикловые подачи составляют 35-50 г/цикл, достигая значений gц = 90-100 г/цикл в таких двигателях, как RND-105, К98 FF. Угол опережения подачи топлива φнпн = 6-300пкв (с тем, чтобы обеспечить действителный угол опережения подачи в цилиндр φнп = 1 — 80пкв).
У современных длинноходовых моделей малооборотных двигателей на режимах нагрузки до 65% угол опережения подачи устанавливается в ВМТ или даже несколько позже ВМТ. На режиме 85-90% нагрузки угол опережения автоматически увеличивается до 1-30 пкв до ВМТ. Давление затяга иглы форсунки обычно составляет Рфи = 200-280 кг/см2 (максимальное значение у двигателей Фиат серии «S»: Рфи = 400 кг/см2).
Смотрите также:
Раздел: А
