Процесс топливоподачи

Основные понятия и параметры процесса топливоподачи

Цикловая подача — подача топлива за один рабочий цикл:

g_ц = (g_e N_e m / 60 n i) г/цикл

• Где: m — коэффициент тактности, для 2-т. дв. = 1;
• Для 4-х т. дв. =2; n — об/мин;
• i — число цилиндров.

Фазы подачи — φ_нпн, φ_кн, φ_{кпф н}, φ_нпф — фазы начала и конца подачи по насосу и по форсунке.

φ_нпф = φ_ф.о. или угол опережения впрыска топлива,
φ_п = φ_нпф + φ_кпф продолжительность подачи топлива.

Р_н, Р_ф, Р_н.макс, Р_ф.макс, Р_ф.о, Р_ф.з, Р_ост — давления топлива в насосе, форсунке, максимальные, открытия иглы, закрытия иглы, остаточное в топливопроводе между впрысками.

Остановимся более подробно на величине цикловой подачи. В свою очередь,

g_ц = (F_пл h_а р_Т η_под) 10^-3 г/цикл

• F_пл = πd² /4 — площадь плунжера м³;
• h_а — активный ход плунжера м;
• р_Т — плотность топлива кг/м³.

Коэффициент подачи топливного насоса η_подпредставляющий собой отношение действительно поданной порции топлива g_ц к теоретически возможной и равной объему, описываемому плунжером на протяжении его активного хода, умноженному на плотность. Коэффициент подачи величина переменная и зависит от большого числа факторов, к числу которых относятся геометрические и конструктивные соотношения в ТНВД, сжимаемость топлива и явления дросселирования в периоды наполнения и отсечки и, конечно, утечки в системе насос-форсунка. По опытным данным η_под = 0,75-1,1, на него существенное влияние оказывают число оборотов и величина цикловой подачи (рис. №1).

Увеличение g_ц (h_а) приводит к росту коэффициента подачи. Важная особенность изменения η_под заключается в том, что при снижении оборотов от номинальных до ≈ 75% η_ном и сохранении положения топливной рейки неизменным, он увеличивается (на 10-15%) и лишь затем падает. Это увеличение влечет за собой рост цикловой подачи и, соответственно, — среднего эффективного давления Р_е = К g_ц η_е, и развиваемого двигателем крутящего момента М_кр, что благоприятно сказывается на тяговых свойствах двигателя и устойчивости режима малых оборотов.

Пример — главный двигатель буксирующего судна. С увеличением силы тяги на гаке обороты двигателя будут падать и, если крутящий момент не будет увеличиваться, то обороты и тяговое усилие будут продолжать снижаться. Если же при снижении оборотов, цикловая подача за счет роста коэффициента подачи растут, то, соответственно, увеличиваются момент и сила тяги.

Развитие процесса топливоподачи

О том, как развивается процесс топливоподачи, можно проследить по приведенным на рис. №2 кривым:

а) давлений топлива у форсунки,
б) хода иглы форсунки при ее открытии,
в) интегрального распределения подачи за один впрыск по углу п.к.в. (закона подачи).

Давление топлива в топливопроводе и в форсунке поднимается до значения Р_фо, при котором игла форсунки поднимается и, в связи с истечением топлива под нее, в этот момент обычно отмечается небольшой местный провал давления. Однако этот провал быстро компенсируется в связи с тем, что плунжер продолжает сжимать топливо, и давление поднимается до максимального значения — Р_макс. Дальнейший рост давления прекращается, так как в насосе начинается отсечка (или плунжер приходит в ВМТ кулачка) и давление падает. По достижении Р_фз, при котором пружина сажает иглу на седло, впрыск топлива прекращается.

В форсунке и в топливопроводе при наличии нагнетательного клапана с отсасывающим пояском устанавливается давление, равное остаточному — Р_ост, сохраняющееся до следующего цикла подачи топлива. При отсутствии разгрузки устанавливается более высокое давление, равное Р_фз, что провоцирует появление подтекания топлива под иглу.

В общем случае процесс топливоподачи в системе «ТНВД — форсуночный топливопровод — форсунка» можно условно подразделить на следующие этапы:

1 этап — наполнение полости ТНВД топливом, поступающим от подкачивающего насоса под давлением 0,4-0,5 МПа. Начало — открытие плунжером при его движении вниз впускного окна (клапана).

Окончание — закрытие плунжером впускного окна (клапана) при его движении из крайнего нижнего положения вверх (геометрическое окончание наполнения). Действительное окончание наполнения происходит раньше, так как при подходе верхней кромки плунжера к верхней кромке окна благодаря возникающему в остающейся узкой щели дросселированию начинается сжатие топлива, давление топлива начинает расти и перепуск прекращается. При этом, чем больше обороты двигателя, тем больше сказывается дросселирование и тем раньше (по углу поворота вала) заканчивается наполнение и начинается сжатие топлива. Таким образом, активный ход плунжера несколько увеличивается.

2 этап — сжатие топлива в надплунжерной полости насоса от давления подкачки до давления, при котором открывается нагнетательный клапан насоса Р_{откр.п.кл} = Р_{затяг.плуж.кл} + Р_ост. Здесь уместно отметить, что существенную роль в процессе топливоподачи играет сжимаемость топлива. Коэффициент сжимаемости топлив α = (0,6 — 1,0) 10^-6 м³/кг. Благодаря сжимаемости плунжер затрачивает часть своего хода на сжатие топлива.

Расчетное уравнение:

F_пл С_пл dt = α V₁ dp (№1)

• где: F_пл — площадь плунжера;
• С_пл — скорость плунжера;
• t — время;
• V₁ — объем надплунжерной полости насоса;
• Р — давление топлива.

3 этап — продолжение сжатия (соответствующего роста давления) топлива в объеме полости насоса V₁ и в объеме топливопровода и форсунки V₂. Начало — открытие нагнетательного клапана. Окончание — достижение давления открытия иглы Р_фо.

Расчетное уравнение:

F_пл С_пл dt = α (V₁ + V₂) dp (№2)

4 этап — впрыск топлива в цилиндр с момента открытия иглы и до момента начала отсечки в ТНВД. Начало этапа — момент подъема давления топлива у иглы форсунки до величины давления открытия иглы.

Окончание — начало отсечки в ТНВД, соответствующее открытию отсечной кромкой плунжера отсечного отверстия (открытию отсечного клапана в насосе клап. типа) и закрытие нагнетательного клапана.

Расчетное уравнение:

F_пл С_пл dt = а (V₁ + V₂) dp + μ f_с (2/р)^1/2 (Р_Т — Р_ц.ср)^1/2 dt (№3)

Объемная подача плунжером — F_пл С_пл dt = а
Объем сжимаемого топлива — (V₁ + V₂) dp + μ f_с (2/р)^1/2
Расход топлива через форсунку — (Р_Т — Р_ц.ср)^1/2 dt

• где: μ — коэффициент истечения сопловых отверстий;
• f_с — суммарное сечение сопловых отверстий;
• р — плотность топлива;
• Р_Т — давление топлива в период впрыска;
• Р_ц.ср — среднее давление в камере сгорания в период впрыска.

5 этап — продолжение истечения (впрыска) топлива из форсунки от момента отсечки в насосе и посадки нагнетательного клапана на седло до момента, когда давление у форсунки упадет до давления посадки иглы на седло (закрытие иглы). Впрыск происходит за счет расширения топлива, оставшегося в топливопроводе и форсунке (в объеме V₂).

Расчетное уравнение:

α V₂ dp = — μ f_с [2 (Р — Р_ц.ср) / р] ^1/2dt (№4)

При наличии у нагнетательного клапана разгрузочного пояска давление в топливопроводе и форсунке резко падает до Р_ост < Р_закр. иглы и тогда последняя фаза впрыска практически отсутствует. Это хорошо, так как истечение топлива из форсунки при понижающихся давлениях впрыска отрицательно сказывается на распыливании, сокращается длина факела и проникновение капель в богатые кислородом периферийные зоны камеры сгорания, тем самым, приводящее к неполному сгоранию и дымлению на выхлопе.

На рис №2 в представлена интегральная кривая, показывающая как распределяется цикловая подача топлива по углу поворота коленчатого вала. В частности, на рисунке для примера показано какое количество топлива от всей величины цикловой подачи попадает в цилиндр к моменту прихода поршня в ВМТ.