РОЗДІЛ 2
Загальна методика та основні методи дослідження паливної системи високого
тиску
2.1. Загальні положення
Існуючі методи розрахунку процесу впорскування зазвичай базуються на динамічній
чи на статичній теорії [54,72-79]. У випадку використання статичної теорії
методика розрахунку побудована на вирішенні рівнянь стисливості палива в
трубопроводі і прилягаючих до нього об’ємах із врахуванням рівняння руху
плунжера паливного насоса, нагнітаючого клапана, голки розпилювача. Статичний
метод забезпечує необхідну точність розрахунку лише в системах з
насос-форсунками чи з дуже короткими трубопроводами високого тиску, тому, що у
ньому взагалі не враховуються хвильові явища, що суттєво впливають на процес
впорскування. У зв’язку з цим при малих циклових подачах, що мають місце в
паливних системах газодизелів, статичний метод розрахунку використовувати
недоцільно. Він може застосовуватись лише як спрощений метод розрахунку при
відсутності ПЕОМ для оціночних розрахунків і за наявності достатньої кількості
експериментальних даних.
Метод розрахунку процесу впорскування, що базується на рішенні рівнянь
несталого руху рідини (палива) в трубопроводі високого тиску, з урахуванням
граничних умов у вузлах паливної системи високого тиску (ПНВТ, нагнітальному
клапані, трубці високого тиску, каналах форсунки та в розпилювачі), називається
гідродинамічним методом і є найбільш доцільним для розрахунку паливних систем
газодизелів [77,80].
Особливості протікання процесу паливоподачі дають підстави вважати його
короткочасним одиничним імпульсом, котрий виникає на вході в нагнітальний
трубопровід внаслідок витіснення палива з надплунжерного простору. У зв’язку з
тим, що паливо стискається, на вході з надплунжерного простору виникає несталий
рух рідини, що стискається, при якому зі швидкістю звуку йде початкова
(первинна) хвиля тиску [81-83].
Основним фактором, що формує характер імпульсу, є об’ємна швидкість руху
плунжера паливного насоса або його площа і профіль паливного кулака. Необхідно
зазначити, що деякі фактори, які визначають граничні умови на виході палива з
надплунжерного простору, суттєво впливають на характер імпульсу. До цих
факторів відносяться: наявність об’єму в штуцері насоса, рух нагнітального
клапана, перетікання палива через наповнювальні та відсічні отвори в період,
коли вони не повністю закриті. Впливають на характер імпульсу і зазори між
плунжером і втулкою, що збільшуються по мірі зношення паливної апаратури.
Суттєво впливають на первинний імпульс і фізичні властивості палива.
У дійсний час при розрахунку паливоподачі враховують лише фактори, що
впливають найбільш суттєво [84,85].
Стрибкоподібний перехід з нагнітального трубопроводу до соплових отворів
гальмує паливо та підвищує його тиск – виникає гідравлічний удар, що дає
можливість описати рух палива в трубопроводі високого тиску рівняннями теорії
гідравлічного удару, які були запропоновані Н.Е. Жуковським [86]. Дана теорія
не враховує нерівномірність тиску і швидкості в поперечному перерізі
трубопроводу. Як показує подальше використання даної теорії – в цьому немає
потреби, тому, що результати розрахунків досить добре співпадають з
результатами досліду.
Рівняння теорії гідравлічного удару описують в основному характер руху палива
в трубопроводі, а характер змін імпульсу визначається шляхом складання рівнянь
граничних і початкових умов у різних точках паливопроводу.
Загальна характеристика методу гідродинамічного розрахунку
Для більшості дизельних та газодизельних двигунів гідравлічна схема паливної
системи є традиційною (рис. 2.1). Частину гідромеханічної системи, яка
складається із порожнин, що зв’язані між собою дросельними отворами або
клапанами, згідно з роботами [87-89], будемо в подальшому називати вузлами.
Рис. 2.1 Лінія високого тиску паливної системи дизеля:
1 – насос; 2 – трубопровід; 3 – форсунка.
Лінія високого тиску включає два гідромеханічних вузли – паливний насос
високого тиску та форсунку, які з’єднані трубопроводом. В паливній системі, яка
додатково оснащується модулятором імпульсів тиску (рис. 2.2) послідовно
установлені три гідромеханічних вузли – паливний насос високого тиску,
модулятор імпульсів тиску та форсунка, які з’єднані між собою двома
трубопроводами [62]. Хвилі тиску та швидкості розповсюджуються по трубопроводах
з кінцевою швидкістю, яка дорівнює швидкості звуку. З вищенаведеного випливає,
що при динамічному розрахунку системи зміна параметрів будь-якого її вузла в
межах даного кроку за часом не встигає здійснювати вплив на зміну параметрів
інших вузлів, і рівняння цих вузлів можуть інтегруватися незалежно одне від
одного. Гідромеханічні вузли описуються фізичними та математичними моделями з
зосередженими параметрами. На відміну від вузлів, трубопроводи – це системи з
розподіленими параметрами.
Рис. 2.2 Гідравлічна схема паливної системи з модулятором імпульсів тиску:
1 – насос; 2 – нагнітальний трубопровід; 3 – форсунка; 4 – модулятор; 5 –
плунжер; 6 – пружина модулятора.
При розв’язанні відповідних рівнянь приймають наступні загальноприйняті
припущення:
поле швидкостей палива симетричне і в кожному перерізі трубопроводу має такий
же профіль, як і при сталому режимі течії з тією ж об’ємною швидкістю;
поле тиску палива – одномірне (тобто тиск однаковий для всіх точок поперечного
перерізу);
поле температур палива однорідне (тобто процес стиску палива та його
переміщення по трубопроводу приймається ізотермічним).
У рамках цих уявлень рух палива по нагніталь