Раздел 2
РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНОГО МЕТОДА
ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЁТА ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО УЗЛА
ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛЯ
2.1. Универсальная математическая модель гидромеханического узла
2.1.1. Общая характеристика метода и основные определения.
Традиционная для большинства дизельных двигателей гидравлическая схема топливной системы показана на рис. 2.1. Линия высокого давления включает два гидромеханических узла - топливный насос и форсунку, соединяемых нагнетательным трубопроводом. Узлы оснащены автоматическими клапанами, относящимися по принципу своей работы к разным типам. На нагнетательный клапан, установленный между надплунжерной и штуцерной полостями насоса, действует перепад давлений топлива; такие клапана в работе именуются простыми. На иглу форсунки - сложный клапан - действует суммарная сила давления топлива со стороны двух подигольных полостей - кармана и канала распылителя; в надигольной полости - полости пружины форсунки - в традиционной аппаратуре топливо давления не имеет, но при организации гидравлического запирания иглы эта полость также заполнена топливом, сжатым под высоким давлением. В некоторых, в том числе и вновь проектируемых конструкциях топливной аппаратуры, используются дополнительные гидромеханические узлы, в других образцах существенно возрастает сложность гидравлической схемы насоса или форсунки (рис.2.2). В этих конструкциях применяются сложные клапаны ещё двух видов - дифференциальный проточный клапан (рис. 2.3 а) и клапан - золотник (рис. 2.3 б), причём иногда устанавливается по два клапана - прямой и обратный.
В некоторых, в том числе и вновь проектируемых конструкциях, топливный насос и/или форсунка имеют более сложную гидравлическую схему. На рис. 2.4 изображена гидравлическая схема форсунки, используемой в электронной системе впрыскивания. Здесь полость пружины форсунки также заполнена топливом
под высоким давлением, величина которого зависит от перемещения клапана- золотника, управляемого электромагнитом. Следует заметить, что вопреки распространённому мнению переход от традиционных разделённых систем (рис. 2.1) к современным системам топливоподачи, оснащённым статическим аккумулятором сжатого топлива, располагаемым вблизи форсунок, и аппаратурой для электронного управления впрыскиванием, не только не снижает, но и существенно повышает требования, предъявляемые к качеству их математического моделирования и оперативности получения результатов расчёта. В частности, в некоторых электронных системах "двойного впрыскивания" время задержки и продолжительность основного импульса, подаваемого на электромагнит, определяется в бортовом микропроцессоре по результатам гидродинамического расчёта системы; при этом учитываются колебания давления, остающиеся в трубопроводе после подачи предварительной порции топлива.
Разработка универсального метода динамического расчёта таких систем актуальна не только для топливной аппаратуры дизелей. Описанный здесь метод пригоден для расчёта разветвлённых гидравлических систем любой сложности. Использование матрично-векторных обозначений позволило придать ему адекватную названию универсальную форму.
Прежде, чем переходить к описанию этого нового метода, следует уточнить некоторые определения. Часть гидромеханической системы, состоящую из полостей, связанных между собой дроссельными отверстиями или клапанами, называется узлом. Данный узел связан с другими узлами системы при помощи трубопроводов. Так, топливная система классического типа (рис.2.5 а) состоит из двух узлов (насос и форсунка), связанных одним нагнетательным трубопроводом. В топливной системе, оснащенной модуляторами импульсов давления [14], последовательно установлены три узла (насос, модулятор, форсунка) и два трубопровода (рис.2.5 б). У топливной аппаратуры [65] согласно принятому определению также три узла и два трубопровода, но здесь трубопроводы установлены параллельно и соединяют один насос с двумя форсунками (рис.2.5 в). Волны давления и скорости распространяются по трубопроводам с конечной скоростью (скоростью звука а), поэтому при динамическом расчёте системы изменение параметров любого её узла в пределах данного шага по времени не успевает оказать влияние на изменение параметров других узлов, и уравнения этих узлов могут интегрироваться независимо.
2.1.2. Общая характеристика динамических моделей гидромеханических узлов.
В методиках [73,74] для описания гидромеханических процессов, происходящих в топливном насосе и форсунке при впрыскивании топлива, использовались динамические модели с сосредоточенными параметрами. Соответствующие математические модели этих узлов включали уравнения объёмного баланса топлива для полостей
,
формулы для определения объёмов полостей
и уравнение движения клапана (или иглы) следующего вида
, (2.1)
где - время; - коэффициент сжимаемости топлива; - объём i-той полости и среднее (по объёму полости) давление топлива в ней; - скорость ухода топлива из полости в нагнетательный трубопровод,
- площадь поперечного сечения трубопровода; - скорость звука в топливе и плотность топлива; - остаточное давление топлива в трубопроводе и давление в обратной волне; - эффективные площади каналов, соединяющих данную полость с другими полостями; - линейная скорость жидкости при перепаде давлений ; h - подъём клапана (иглы); - масса клапана (иглы и штанги иглы) и его (её) пружины; - жёсткость и предварительная деформация пружины.
В работе [103] для пружин клапанов и форсунок было предложено использовать динамическую модель с распределёнными параметрами