9.5. Основы расчета системы управления электромагнитной форсунки

Игла распылителя 2 форсунки (см. рис. 9.3) в нерабочем состоянии прижимается к седлу корпуса распылителя 1 пружиной 6 через втулку 5 с проточкой. Это предотвращает поступления воздуха в полость форсунки. Пружина 17 через шток якоря 13 прижимает шариковый клапан 12, который закрывает (открывает) отсечной жиклёр 11, обеспечивая перепад давления над управляющем поршнем 10 и иглой распылителя 2.

Управляющий поршень 10 имеет наружный диаметр 4,3 мм (S_п = 14,5 мм²), входит с диаметральным зазором 2 − 4 мкм во втулку 9, образуя прецизионную пару. Уплотнение поршня 10 и отверстия во втулке 9 выполняется плоским или в виде конуса с диаметром 1,5 мм (S_к =1,8 мм²). Игла 2 распылителя имеет наружный диаметр 4 мм (S_и =12,5 мм²), диаметр внешнего посадочного конуса 2,2 мм (S_вк = 3,79 мм²). Дифференциальная площадка иглы (S_ДИФ), на которую действует давление топлива до ее подъема, равна 8,7 мм². Давление на входе в форсунку 110 МПа. Есть системы подачи топлива, у которых давление в аккумуляторе достигает 150 − 200 МПа. Ход иглы У равен 0,2 мм, в процессе эксплуатации топливной аппаратуры он увеличивается. Объем камеры управления принят 30 мм³, максимальное рабочее давление в ней - 100 МПа.

В табл. 9.1. приведены расчетные значения сил, которые действуют до начала впрыска со стороны управляющего поршня 10 (штока) и со стороны дифференциальной площадки иглы 2.

Таблица 9.1

Расчетные значения сил со стороны управляющего поршня и иглы.

РП, МПа	FП, Н	FДИФ, Н	ΔF, Н	У, мм	SДИФ, мм2
100	1450	957	-493	0	8,7
90	1305	957	-348	0	8,7
80	1160	957	-203	0	8,7
70	1015	957	-58	0	8,7
66	957	957	0	0	8,7
50	725	957	+232	0	8,7
40	580	957	+378	0	8,7
30	435	957	+522	0	8,7
20	290	957	+647	0,1	12,5 (Sи )

Из анализа табл. 9.1 следует, что при давлении в камере управления 66 МПа силы от давления топлива, действующие на шток и иглу, выравниваются. При давлении над управляющем поршнем менее 40 МПа, дополнительно преодолевая силы инерции, игла открывается. При подъеме иглы на 0,2 мм за время 1,25 ·10^-4 (1,5⁰) ее скорость достигает 1,6 м/с, а ускорение 12800 м/с². При массе подвижных частей равных 15 г сила инерции составит 192 Н.

При подъеме иглы давление топлива воздействует на всё её поперечное сечение и сила подъема составляет 1085 Н (1375 - 290). Под действием большой по величине подъемной силы игла мгновенно поднимается. Под давлением 110 МПа топливо подается в камеру сгорания при полностью открытых сопловых отверстиях. При учете противодавления в цилиндре (например, 5 МПа) перепад давления при впрыске топлива составит 105 МПа. Количество впрыскиваемого топлива зависит от эффективного проходного сечения распылителя (например 0,15 мм²), перепада давления и времени открытия иглы (например 0,001 с).

Объемную теоретическую подачу топлива из распылителя за впрыск (цикловую подачу, м³) можно определить из выражения

, (9.1)

где – эффективное проходное сечение распылителя, м²; – теоретическая скорость истечения топлива, м/с; ΔР – средняя величина давления топлива перед сопловыми отверстиями, Н/м²; ρ_Т – плотность топлива, кг/м³; t − время впрыска, с.

При ΔР = 105·10⁶ Н/м² и ρ_Т =850 кг/м³ величина =497 м/c. Для = 0,15·10^-6 м² и времени впрыска 0,001 с количество поданного топлива за цикл (впрыск) составит 74·10^-9 м³ или 74 мм³.

На рис. 9.4 показаны осциллограммы изменения давления над штоком управления, подъема иглы, ее скорости и управляющего сигнала на обмотке электромагнита. Продолжительность подъема иглы форсунки определяется как время, прошедшее с момента подачи управляющего сигнала (момент открытия отсечного отверстия) до момента, когда скорость иглы поменяет знак с положительного на отрицательный. При этом игла достигнет верхнего упора или будет совершать колебательные движения относительно некоторой позиции, близкой к максимальному подъему иглы. Продолжительность посадки иглы определяется как время, прошедшее с момента отключения управляющего сигнала (перекрытия отсечного дросселя) до момента посадки иглы на седло.

Рис. 9.4. Осциллограммы изменения управляющего сигнала в обмотке электромагнитного клапана (1); скорости движения иглы (2); движения иглы распылителя форсунки (3); давления топлива над управляющим штоком (4). I - время от начала подачи управляющего сигнала на обмотку электромагнита до начала подъема иглы; II - время от начала до полного подъема иглы; III - время впрыска; IV - время от начала прекращения подачи управляющего сигнала до начала посадки иглы; V - время посадки иглы

Время впрыска t (с), продолжительность (град) зависят от количества циклов подачи топлива в минуту (n ) и связаны выражением

. (9.2)

Откуда, например,

В быстроходных дизелях с интенсивным процессом подачи топлива в камеру сгорания продолжительность впрыска основной порции топлива составляет 10 − 12⁰.

Если диаметр управляющего поршня 4,3 мм, а его максимальный ход 2 мм, то с учетом конструктивных соображений полный объем камеры управления составит примерно V_у = 30 мм³. Часть данного объема вытесняется управляющим поршнем и наполняется из аккумулятора. Известно, что когда клапан закрыт давление в камере управления и аккумуляторе равны, но при открытии клапана давление в камере управления резко падает, так как предварительно сжатое топливо вытекает через отсечное отверстие.

Давление в камере управления определяется выражением

P_у = V_о /(α_с·V_у), (9.3)

где Р_у – давление в объеме камеры управления V_у; α_с – коэффициент сжимаемости топлива (6·10 ^-10 м²/Н); V_о – объем топлива, вытекающий через отсечное отверстие.

В табл. 9.2 приведены расчетные данные для создания требуемого давления топлива в ограниченном объеме от величины сжатия в %.

Таблица 9.2