где q — средняя производительность форсунки за импульс. При этом величина q принимается постоянной, не зависящей от режима работы двигателя, а зависимость Qц от τ — однозначной. Такие условия дозирования могли бы быть осуществлены только в идеальной системе, в которой форсунка должна открываться и закрываться мгновенно, соответственно с приходом и прекращением электрического импульса, производительность форсунки q должна оставаться постоянной в продолжение всего времени открытого состояния клапана, не изменяться от цикла к циклу и не зависеть от режимов работы двигателя.
Цикловая подача реальной форсунки равна
где q(t) — производительность форсунки, величина непостоянная как во времени, так и от цикла к циклу, во многом зависящая от перепада давления на клапане.
Рассмотренные графические построения двух характерных случаев неустановившегося движения жидкости в простейшей системе топливоподачи при резком открытии и закрытии клапана подтверждают, что давление в форсунке во время открытого состояния клапана не только существенно отличается от стационарного, но также изменяет свое значение в широких пределах и по различным закономерностям. Это объясняется тем, что время открытого состояния клапана tц соизмеримо с временем прохождения волны по трубопроводу. Так, например, tц может иметь значения от 2 до 25 мс, а период колебательного процесса в зависимости от длины, материала и сечения трубопровода может быть равным от 1 до 200 мс. Кроме того, в соответствии с частотой следования цикловых подач момент открытия клапана может приходиться на разные фазы подошедшей к форсунке отраженной волны предыдущей цикловой подачи, поскольку период повторения цикловых подач также соизмерим (T=240 мс) с периодом колебательного процесса. Следовательно, давление в форсунке и ее производительность будут изменяться с изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя. На рис. 38 показан график зависимости величины цикловой подачи от частоты следования подач (частоты вращения двигателя) при постоянной длительности управляющих импульсов. Установить строгую закономерность зависимости производительности форсунки от частоты следования импульсов и затем вводить соответствующую коррекцию в программу регулирования топливной аппаратуры практически не представляется возможным, поскольку эта зависимость в основном диктуется параметрами топливопроводов, которые на различных типах автомобилей могут значительно отличаться друг от друга. По этой причине одна и та же форсунка в различных топливных системах не будет иметь одну и ту же основную характеристику Qц=f(t). Таким образом, система топливоподачи, выполненная по простейшей структурной схеме, в чистом виде практически не применима.
Рис. 38. Зависимость величины цикловой подачи от частоты следования при постоянной длительности управляющих импульсов (в элементарной системе топливоподачи):
—·—·— свободный вход топлива в шланг форсунки;
—О—О— вход топлива в шланг через обратный клапан;
—X—X— вход топлива в шланг через жиклер
Анализ графических построений, выполненных на рис. 36 и 37, указывает несколько путей, позволяющих приблизить условия подачи топлива форсункой в реальной системе к условиям дозирования в идеальной системе.
Во-первых, возможно путем укорачивания длины топливопровода добиться значительного уменьшения времени неустановившегося режима. В пределе, когда форсунка питается непосредственно из напорного бака, время неустановившегося режима стремится к нулю и расход через форсунку мгновенно достигает стационарного уровня. 'Однако такая схема в реальных условиях на автомобильном двигателе неосуществима. Тот же эффект гашения колебаний может быть получен, если в непосредственной близости от форсунки будет установлен аккумулятор давления с достаточно большой емкостью и высокой собственной частотой, способной компенсировать падение давления в форсунке на всех режимах работы двигателя. Эффективность действия аккумулятора давления зависит от того, насколько близко он может быть расположен к клапану форсунки. Обычно на двигателе устанавливается не одна форсунка, а их число, соответствует числу цилиндров. Следовательно, каждая форсунка должна иметь свой аккумулятор давления. Такие условия создают значительные трудности при конструировании не только самого аккумулятора, но также форсунок и топливной системы в целом. Поэтому такая схема тоже не нашла применения на практике.
Во-вторых, для того, чтобы несколько приблизить условия дозирования к идеальным, стремятся путем уменьшения коэффициента tg α = ρa/f получить производительность форсунки, незначительно отличающуюся во время неустановившегося режима от стационарной. Получение малого tg α возможно или путем увеличения площади сечения трубопровода f, или путем уменьшения скорости распространения волн а. Для этой цели топливопровод можно выполнить из резинового шланга с большим проходным сечением. Скорость распространения волн в таких шлангах, наполненных бензином, имеет значения порядка 100—200 м/с. Эффективность такого способа гашения колебаний несколько ниже, чем при применении аккумулятора давления; тем не менее он довольно широко используется на практике.
В то же время мягкая магистраль полностью не устраняет недостатки, присущие топливной системе, выполненной по простейшей структурной схеме. Возможны случаи, когда открытие клапана совпадает во времени с приходом отраженной волны предыдущей цикловой подачи. Такие многократные совпадения на некоторых оборотах двигателя могут вызвать нежелательные резонансные явления, приводящие к значительной нестабильности Производительности форсунки.
Анализ графических построений неустановившегося режима показывает еще два способа гашения колебаний в системе. До сих пор мы рассматривали систему питания, в которой характеристика напорной емкости представляла собой прямую линию, параллельную оси абсцисс с ординатой, равной значению стационарного давления. Если же на входе в топливопровод установить местное гидравлическое сопротивление, например дросселирующее отверстие в виде жиклера, то в этом случае статическая характеристика напорного бака по отношению к топливопроводу будет иметь вид
где kж=(μжfж)2, μжfж — эффективное сечение жиклера; μж — коэффициент расхода затопленного отверстия; fж — площадь сечения жиклера; σ — ступенчатая функция. При q > 0 σ=1; при q < 0 σ=—1.
Уравнение (12) представляет собой параболу с падающей ветвью при положительных значениях q и с восходящей ветвью при отрицательных q, с начальной точкой (q=0, р=р0). Рассмотрим графические построения, показанные на рис. 39, а, б. Топливная система взята такая же, как и на рис. 36, с той лишь разницей, что на входе в топливопровод установлен жиклер. Характеристика напорного бака представлена кривой ψA. Проведя построения, аналогичные предыдущим, и сравнивая их с графиком рис. 36, найдем, что интенсивность колебательного процесса в последнем примере значительно ниже. Также значительно интенсивнее происходит затухание колебаний, возникающих в такой системе после закрытия клапана (рис. 39, а, штриховая линия).
Рис. 39. График неустановившегося режима при открытии и закрытии клапана форсунки с жиклером установленным на входе в трубопровод
На основании проведенного сравнения можно сделать следующее предположение. Когда характеристики напорного бака и клапана форсунки пересекаются в одной точке с прямой, характеризующей волновые свойства трубопровода, в системе происходит полное в гашение отраженных волн и колебательный процесс не возникает.
Следовательно, для любой простейшей системы можно подобрать жиклер, устанавливаемый на входе в трубопровод, с таким эффективным сечением, чтобы характеристика напорного бака прошла через точку пересечения характеристики форсунки и прямой, характеризующей волновые свойства трубопровода. Графическое построение для такой системы приведено на рис. 40, а, б, где ψA — характеристика напорного бака с жиклером на выходе; ψB— характеристика форсунки; АМ — прямая, характеризующая волновые свойства .трубопровода; М — общая точка пересечения.
Рис. 40. График неустановившегося режима при открытии и закрытии клапана форсунки с жиклером оптимального эффективного сечения, установленным на входе в трубопровод
В начальный момент времени клапан форсунки закрыт, давление в системе равно давлению в баке, расход равен нулю (точка А), В момент открытия клапана давление в форсунке падает до значения рф, и начинается истечение топлива с расходом qф при установившемся режиме (точка М). При закрытии клапана расход прекращается, давление в форсунке возрастает до значения р0, равного давлению в баке, и режим течения в системе возвращается к исходному.
Дозирование топлива во время открытого состояния клапана происходит без пульсации с постоянной производительностью qф и с постоянным, несколько заниженным давлением рф. После закрытия клапана пульсации в системе также отсутствуют. Физическую картину явлений, происходящих в такой системе, можно представить следующим образом. Прямая волна, возникающая в форсунке в момент открытия клапана, подходит к жиклеру с давлением рф и расходом qф. Эффективное сечение жиклера подобрано так, что расход через него при перепаде давления р0—рф также равен qф, вследствие чего отражённая волна имеет те же параметры, что и прямая, т. е. гасится сопротивлением жиклера. После закрытия клапана прямая волна подходит к жиклеру бака с давлением р0 и расходом q=0. Давление с обеих сторон жиклера выравнивается, возникшая отраженная волна принимает те же параметры, что и прямая, и полностью гасится. Таким образом, система с жиклером на входе в шланг имеет явные преимущества по сравнению с обычной. Резонансные явления в ней не должны иметь места, производительность форсунки стабильна й не должна зависеть от режимов работы двигателя (см. рис. 38). Недостатком системы является некоторая потеря давления на жиклере, представляющем сосредоточенное гидравлическое сопротивление.
Возможен еще один способ устранения колебательных явлений в системе топливоподачи. Предположим, что в системе, выполненной по простейшей структурной схеме, через некоторое время после открытия клапана установился стационарный режим истечения топлива. Давление в форсунке будет равно давлению в напорнбм баке — р0, а производительность определится из выражения (8).
В момент закрытия клапана образовавшаяся в форсунке волна сжатия подойдет к баку и в следующий момент, отразившись от нее, начнет возвращаться к форсунке, причем жидкость из трубопровода будет вытекать обратно в бак (рис. 41, с, б). Чтобы в этот момент прекратился колебательный процесс и не возникла отраженная волна, необходимо создать условие, при котором топливо из трубопровода не могло бы течь в обратном направлении. Это может быть достигнуто путем установки на входе в трубопровод обратного клапана, который будет закрываться каждый раз при подходе к нему волны сжатия.
Рис. 41. График не установившегося режима при открытии и закрытии клапана форсунки с обратным клапаном, установленным на входе в трубопровод
Рассмотрим, как протекает процесс дозирования в системе, в которой установлен обратный клапан. Предположим, что масса клапана настолько мала, что ее инерционными свойствами можно пренебречь, и что клапан в открытом состоянии не оказывает дросселирующего действия. После окончания первой же цикловой подачи образовавшаяся волна сжатия подойдет к обратному клапану и закроет его. В системе топливо будет находиться под давлением рф > p0. В момент открытия клапана форсунки возникнет волна разрежения р0, q0, которая при подходе к обратному клапану откроет его, и в системе установится стационарный режим истечения топлива, характеризуемый на рис, 41 точкой ОB. После окончания цикловой подачи волна сжатия с давлением рф (точка О0) и нулевым расходом вновь закроет обратный клапан и система будет готова к очередному дозированию. Таким образом, система с обратным клапаном на входе в трубопровод, подобно системе с жиклером, должна быть свободна от резонансных явлений, чем выгодно отличается от обычной (см. рис. 38). В такой системе полностью используется давление напорного бака. Недостатком системы является некоторое усложнение конструкции вследствие введения обратного клапана.
Из рассмотренных способов гашения колебаний в системе топливоподачи получил широкое распространение способ использования топливных трубопроводов с малым значением коэффициента tg α = ρa/f, т. е. шлангов из материала с невысоким модулем упругости и с большим проходным сечением. Поскольку эффективность гашения при этом способе недостаточно высока и сам по себе он не может обеспечить на всех режимах работы двигателя необходимое демпфирование колебаний, в зарубежных системах топливоподачи дополнительно устанавливают разнообразные демпфирующие устройства как на линии нагнетания, так и в магистралях всасывания и слива. Кроме того, в таких системах применяется разделение форсунок на группы, включаемые поочередно и подключенные в разных точках линии нагнетания, что частично снижает гидравлическую импульсную нагрузку на трубопроводы. В итоге способ с дополнительными мероприятиями дает удовлетворительные результаты по точности дозирования топлива. В качестве примера можно указать систему топливоподачи автомобиля Мерседес Бенц с восьмицилиндровым 3,5 л двигателем. В этой системе применены эластичные шланги на резиновой основе и установлены все три разновидности демпфирующих устройств.
В отечественной аппаратуре впрыска гашение колебаний осуществляется также применением гибких шлангов. В отличие от зарубежных систем, демпфирующие устройства представляют собой жиклеры, устанавливаемые на входе в шланг каждой форсунки. Шланги форсунок присоединены непосредственно к напорной полости редукционного клапана (см. рис. 21, в). Такой способ позволяет получить практически почти полное гашение отраженных волн, и резонансные явления в системе не имеют места.
Присоединение шлангов всех форсунок к одной полости обеспечивает идентичную работу форсунок, позволяет получить высокую равномерность и точность дозирования без дополнительных демпфирующих устройств.