Способ определения среднего давления впрыскивания топлива за цикл

(51) 02 65/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ том, что по цикловой подаче топлива за цикл ц при известной суммарной эффективной площади сопловых отверстий , где- коэффициент расхода сопловых отверстий,- суммарная геометрическая площадь сопловых отверстий, и времени впрыскивания топлива за цикл впрц,вычисляя среднюю скорость впрыскивания топлива за цикл ц из уравнения цсрц свпрц, по величине срц определяют среднее давление впрыскивания топлива за цикл, отличается тем, что среднее давление впрыскивания топлива за цикл определяют по волновой формуле рвпрсрцсрц/ из волнового уравнения срц/впрср/(/),где с - скорость звука в топливе, /- удельная плотность топлива, -удельный вес топлива, корение свободного падения. Технический результат - повышение точности определения давления впрыскивания топлива и тем самым повышение наджности работы и срока службы форсунок, а следовательно, всей топливной системы и всего двигателя в целом.(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова Министерства образования и науки Республики Казахстан(56) Каракаев А.К. Двигатели внутреннего сгорания Учебное пособие - практикум по системам питания,автоматического регулирования и управления двигателей. -Павлодар Научный издательский центр ПГУ им. С. Торайгырова, 2003.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА ЗА ЦИКЛ(57) Изобретение относится к области распыливания жидкостей, например, к области впрыскивания топлива форсункой в цилиндр дизеля. Способ определения среднего давления впрыскивания топлива за цикл, заключающийся в Изобретение относится к области распыливания жидкостей, например, к области впрыскивания топлива форсункой в цилиндр дизеля. Известен способ определения давления впрыскивания топлива, заключающийся в том, что как давление впрыскивания топлива определяют давление в колодце распылителя перед сопловыми отверстиями экспериментально путм осциллографирования или на основе гидродинамического расчта топливной системы,состоящей из топливного насоса и форсунок,соединнных между собой нагнетательными трубопроводами Каракаев А. К. Гидродинамика впрыскивания топлива в дизелях. - Павлодар Издательство КЕРЕКУ ПТУ им. С. Торайгырова,2007. с.121. Недостаток аналога заключается в сложности гидродинамического расчта топливной системы и в сложности осциллографирования. Ближайшим прототипом является способ определения среднего давления впрыскивания топлива за цикл, заключающийся в том, что по цикловой подаче топлива за цикл ц при известной суммарной эффективной площади сопловых отверстий , где -коэффициент расхода сопловых отверстий,- суммарная геометрическая площадь сопловых отверстий,и времени впрыскивания топлива за цикл впрц, вычисляя среднюю скорость впрыскивания топлива ц из уравнения цсрц свпрц, по величине ц определяют среднее давление впрыскивания топлива за цикл на основании уравнения Бернулли для установившегося движения жидкости рс срц 0,5/2, где / - удельная плотность топлива,удельный вес топлива, -ускорение свободного падения Каракаев А. К. Двигатели внутреннего сгорания Учебное пособие - практикум по системам питания,автоматического регулирования и управления двигателей. -Павлодар Научный издательский центр ПТУ им. С. Торайгырова, 2003. с.274. Определение среднего давления впрыскивания топлива за цикл по уравнению Бернулли для установившегося движения жидкости рвпрсрцсрц 0,5/2 является недостатком прототипа,так как не соответствует действительности и не обеспечивает необходимой точности определения рвпрсрц. Сущность изобретения заключается в следующем. Учитывая волновой характер распространения возмущений от начала нагнетательного трубопровода до кармана распылителя,в существующих гидродинамических методах для расчета движения топлива в щели под иглой, в колодце и сопловых отверстиях распылителя, а также распад струи и развитие факела топлива рассматриваются как стационарное или квазистационарное движение и истечение жидкости. В работах автора движение топлива считалось волновым до выходных кромок сопловых отверстий распылителя,были рассмотрены путм имитационного моделирования 10 вариантов 2 расчта, которые дали при определении давления в колодце распылителя рсрк хорошее совпадение с экспериментом, однако скорость истечения топлива при известном в колодце распылителя давлении рсрк считалось по уравнению Бернулли для установившегося движения жидкости,что,естественно, не соответствовало действительности Каракаев А. К. Гидродинамика впрыскивания топлива в дизелях. - Павлодар Издательство КЕРЕКУ ПТУ им. С. Торайгырова, 2007. с.121. Известно, что для установившегося процесса вообще опускают члены,соответствующие локальной нестационарности, а по самому режиму работы форсунок устойчивого стационарного режима не получается, основным же в принципе работы форсунок является нестационарность процесса, получение волн, которые и приводят к распаду жидкости на капли Витман Л. А.,Кацнельсон Б. Д., Палеев И. И. Распыливание жидкости форсунками/ Под ред. акад. С. С. Кутателадзе. - М.-Л. ГЭИ, 1962. с.264. Вычисление скорости впрыскивания топливапо волновому уравнению по известному рсрк,определенному экспериментально непосредственно перед сопловыми отверстиями или методами гидродинамического расчта процесса впрыскивания топлива, основанными на методах исследования уравнений неустановившегося движения сплошной среды,не дат удовлетворительных результатов, так какполучаются незначительными, намного уступая действительным . А давления впрыскивания рс,определнные по волновому уравнению при известных скоростях впрыскивания топлива , по крайней мере на порядок превышает давление в колодце распылителя, определяемые экспериментом или расчтом. Лышевский А. С. Лышевский А. С. Процессы распыливания топлива дизельными форсунками. М. Машгиз, 1963.с.180, ссылаясь на работы лаборатории физики сверхвысоких давлений АН СССР,например,Некоторые исследования гидродинамики струи жидкости, вытекающей из сопла под давлением 1500 атм / Л. Ф. Верещагин, А. А. Семерчан, А. И. Фирсов и др.// ЖТФ. -1956. -Т. 26. - Вып. 11. с.2570-2577, заключает, что нарушения сплошности течения струи не было обнаружено даже при р 100 МПа (р 1000 кГ/см 2),что объясняют следующим образом Для образования парогазовых участков струи при е дросселировании необходимо не только значительно снизить давление, но и повысить температуру. Однако после повышения температуры струи при е дросселировании через сопловые отверстия происходит расширение жидкости по выходе из него,которое сопровождается понижением температуры. Эти процессы противоположны по знаку и в значительной степени компенсируют друг друга. Нарушение компенсации происходит лишь при очень высоких давлениях, тогда в струе могут возникнуть разрывы сплошности. По оценочным расчтам авторов для воды это явление наступит примерно при давлении 500 МПа (5000 кГ/см 2). Лышевский А. С. заключает Лышевский А. С. Процессы распыливания топлива дизельными форсунками. -М. Машгиз, 1963.с.180, что в практике распыливания жидкостей такие давления обычно почти не встречаются. После отражения волны сжатия от свободной поверхности в теле возникают отрицательные давления, т. е. на тело действует растягивающее усилие. Если растягивающее напряжение в области взаимодействия волн разрежения превышает предел прочности вещества на разрыв,то в соответствующем месте тела происходит разрыв, т. е. откол от поверхности тела откалывается пластинка материала и отделяется от остального тела, отлетая от поверхности с определенной скоростью, например, сталь при импульсных нагрузках разрушается при усилиях порядка 3000 МПа (30000 кГ/см 2) Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. -М. Наука, 1966. с.688, причм ширина зоны, в которой достигается такой интервал напряжений, тем меньше, чем быстрее происходит спад давления в волнах разрежения Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. -М. Наука, 1966. с.688 при этом соответственно изменяется и шероховатость поверхности откола, которая резко уменьшается в области, где спад давления за фронтом ударной волны сжатия происходит гораздо быстрее. У насос - форсунок двухтактных дизелей ЯМЗ давления достигают 120-150 МПа (свыше 1200-1500 кГ/см 2), что сопровождается интенсивным износом сопловых отверстий, а иногда обрывом соплового наконечника по распыливающим отверстиям или поломкой коромысла насос-форсунки в результате резкого повышения давления из-за засорения сопловых отверстий Ховах М. С, Трусов В. И. Системы питания автомобильных дизельных двигателей. - 2-е изд., перераб. и доп. -М. Транспорт, 1967. с.188, признаками чего являются снижение эффективной мощности и густой светлобурый дым отработавших газов. Эти данные противоречат заключению Лышевский А. С. Процессы распыливания топлива дизельными форсунками. -М. Машгиз, 1963.с.180. Распылители форсунок изготовляются из высококачественной инструментальной стали, т. е. откол или обрыв соплового наконечника по распыливающим отверстиям из-за засорения сопловых отверстий происходит в результате резкого повышения давления свыше 30000 кГ/см 2. Из вышеизложенного следует, что точное определение истинного давления впрыскивания топлива необходимо для повышения наджности работы и срока службы форсунок, а следовательно,всей топливной системы и всего двигателя в целом,что позволило обосновать и сформулировать ожидаемый технический результат. Технический результат - повышение точности определения среднего давления впрыскивания топлива за цикл и тем самым повышение наджности работы и срока службы форсунок, а следовательно, всей топливной системы и всего двигателя в целом. Технический результат достигается тем, что в способе определения среднего давления впрыскивания топлива за цикл, заключающийся в том, что по цикловой подаче топлива за цикл ц при известной суммарной эффективной площади сопловых отверстий , где- коэффициент расхода сопловых отверстий,- суммарная геометрическая площадь сопловых отверстий, и времени впрыскивания топлива за цикл впрц,вычисляя среднюю скорость впрыскивания топлива за цикл ц из уравнения цсрц свпрц, по величине срц определяют среднее давление впрыскивания топлива за цикл, среднее давление впрыскивания топлива за цикл определяют по волновой формуле рвпрсрцсрц/ из волнового уравнения срц/впрср/(/), где с скорость звука в топливе, /- удельная плотность топлива, -удельный вес топлива, -корение свободного падения. Заявляемый способ определения давления впрыскивания топлива за цикл от способа по прототипу отличается тем, что среднее давление впрыскивания топлива за цикл определяют по волновой формуле рвпрсрцсрц/ из волнового уравнения срц/впрср/(/), где с скорость звука в топливе, /- удельная плотность топлива, -удельный вес топлива, -корение свободного падения. Сущность изобретения поясняется чертежом. Распылитель форсунки состоит из запорной иглы 1 и корпуса распылителя 2 с колодцем 3 и сопловыми отверстиями 4. Запорная игла 1 и корпус распылителя 2 образуют карман распылителя 5. При работе топливной системы топливо от топливного насоса поступает в карман распылителя 5, повышая давление топлива в нм. Когда давление в кармане распылителя 5 станет равным давлению открытия запорной иглы 1, запорная игла 1 поднимается и открывает доступ топлива к предсопловому каналу 3 и к сопловым отверстиям 4,откуда топливо впрыскивается в цилиндр дизеля. Цикловая подача топлива определяется формуле(для дизеля А-41) ц 106/(260) 106185994/(41750835)104.45 мм 3,где 835 кГ/м 3835 10-6 кГ/см 3- удельный вес топлива 9,81 м/с 2981 см/с 2-ускорение свободного падения 185 г/(элсч) - удельный эффективный расход топлива еполн 945 элс - номинальная (или полная номинальная) мощность дизеля А-41 для расчта принимаюеполн 99 элс.1750 мин-1 - номинальная частота вращения(обороты) коленчатого вала дизеля 4 - число цилиндров дизеля 4 - тактность дизеля. Время одного оборота при 1750 мин-1 равна б 60/ 60/17500,0343 с,3 т. е. один оборот осуществляется за 0,0343 с. Продолжительность впрыскивания топлива за цикл, т. е. цикловой подачи топлива, для дизеля А 41 на номинальном режиме равна 30 ПКВ (30 градусов поворота коленчатого вала), а в секундах впрц 30 ПКВ 300,0343/360-0,0029 с. Средняя скорость впрыскивания топлива за цикл равна срцц/(впрцс) У форсунок дизеля А-41 суммарная эффективная площадь сопловых отверстий с 0,25 мм 20,0025 см 2, т. е. ц 104.45/(0,250,0029)138248,28 мм/с)13824,828 см/с. Давление впрыскивания топлива по уравнению Бернулли для установившегося движения жидкости определяется по следующей формуле рвпрсрц срц 2/2 срц 2/(2),где / - удельная плотность топлива, кГс 2/см 4,т.е. рвпрсрц 835 10-613824,8282/(2981)81,34 кГ/см 2. Давление впрыскивания топлива согласно защищаемой формулы изобретения, т. е. из волнового уравнения рс /(с) определяется по следующей волновой формуле рвпрсрцссрцссрц . Принимаем скорость звука в топливе с 1400 м/с 140000 см/с. рвпрсрцссрц/140000 10-6835 2 13824,828/9811647,4 кГ/см . Таким образом, заявляемый способ определения среднего давления впрыскивания топлива за цикл позволяет более точно определить давление впрыскивания топлива и проектировать форсунки и другие распыливающие устройства в различных областях человеческой деятельности с учтом того,что основным в принципе работы форсунок является нестационарность процесса, получение волн, которые и приводят к распаду жидкости на капли, и тем самым повысить наджность работы и срока службы форсунок, а следовательно, всей топливной системы и всего двигателя в целом. Научно-практическое значение изобретения заключается в том, что на основе его может разрабатываться гидродинамика неустановившегося сплошной среды (НДСС) в напорных линиях различных систем, в том числе и при разработке гидродинамики распыливания топлива в дизелях, а также новых технических решений для обеспечения эффективности и повышенной безопасности трубопроводных систем,что может быть использовано и при создании Ядерной энергетики повышенной безопасности. Практическое значение изобретения состоит в том, что с его помощью можно существенно повысить эффективность технических устройств, имеющих каналы и трубы с переменными по времени и координате сечениями,причм достаточно вспомнить, что наша земля буквально опоясана пересекающейся сетью водо-,газо- и других трубопроводов, в том числе и продуктопроводов, не говоря о том, что ни одна машина, ни одна из электрических, тепловых и атомных станций не обходится без трубопроводов и каналов с изменяющимися по времени и координате сечениями более обоснованно назначать мероприятия, препятствующие выходу из строя (в результате резкого повышения давления при перекрытии и закрытии каналов) отдельных агрегатов и трубопроводов, регулирующих и управляющих устройств, применяемых в различных отраслях народного хозяйства, а также в биологических системах, например, в системах кровообращения человека и животных дают возможность объяснить неясные вопросы,неразрешимые существующими положениями,например, ударное повышение давления в напорных линиях самолтных гидросистем из-за быстродействия устройств управления,что зачастую является причиной срабатывания отдельных устройств (реле давления, гидрозамков и т. д.), в том числе и резкие повышения давления перед сопловыми отверстиями, приводящие к отраву сопловых наконечников распылителей дизельных форсунок обосновать получение высоких давлений распыливания, например,высоких давлений распыливания при относительно малых давлениях,создаваемых плунжером топливного насоса высокого давления (ТНВД), что,в свою очередь, повышает надежность работы ТНВД и всей топливной системы дизеля, уменьшая нагруженность ТНВД путем уменьшения контактных напряжений в паре кулачок-ролик толкателя. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ определения среднего давления впрыскивания топлива за цикл, заключающийся в том, что по цикловой подаче топлива за цикл ц при известной суммарной эффективной площади сопловых отверстий , где -коэффициент расхода сопловых отверстий,-суммарная геометрическая площадь сопловых отверстий, и времени впрыскивания топлива за цикл впрц,вычисляя среднюю скорость впрыскивания топлива за цикл ц из уравнения цсрцс впрц, по величине срц определяют среднее давление впрыскивания топлива за цикл, отличающийся тем,что среднее давление впрыскивания топлива за цикл определяют по волновой формуле рвпрсрцсрц/ из волнового уравнения срц/впрср/(/),где с - скорость звука в топливе, /- удельная плотность топлива, -удельный вес топлива, корение свободного падения.