Однако даже форсунки с высокими показателями быстродействия не в состоянии обеспечить необходимую точность дозирования, если не приняты эффективные меры по ограничению гидродинамических колебательных явлений в системе. Систему топливоподачи можно рассматривать как упругую напряженную систему, состоящую из ряда емкостей и трубопроводов, заполненных жидкостью под давлением. Каждая форсунка на двигателе срабатывает один раз за цикл его работы. Импульсное открытие или закрытие клапана форсунки является возмущающей причиной, выводящей упругую систему из равновесия. В результате вынужденных возмущений в системе возникают гидродинамические колебательные процессы волнового характера, затухающие во времени. Если колебания давления, возникшие после срабатывания форсунки, не успевают затухнуть к моменту последующего открытия ее клапана, то истечение топлива из форсунки произойдет при переменном давлении и величина цикловой подачи будет зависеть, от того, с какой фазой колебания давления топлива совпадает очередное открытие клапана. Вследствие этого на основную рабочую характеристику форсунки, представляющую собой зависимость величины цикловой подачи от длительности управляющих импульсов, накладывается дополнительная зависимость от частоты вращения двигателя (частоты следования импульсов). Эксперимент показывает, что отклонения величины цикловой подачи вследствие нестабильности давления могут достигать 20%. В этом случае реализация программы топливоподачи становится практически невозможной.
В качестве примера таких явлений на рис. 34 представлены две осциллограммы давления топлива в системе топливоподачи. Верхняя линия — электрические импульсы, управляющие работой форсунок, нижняя—колебания давления топлива в корпусе форсунки. Пульсации давления после срабатывания форсунки могут либо затухать до прихода следующего импульса (рис. 34, а), либо импульс приходится на еще не затухшие пульсации (рис. 34, б). Во втором случае цикловая подача будет зависеть от амплитуды пульсации и ее фазы. Для более наглядного ознакомления с явлениями, происходящими в системе топливоподачи, следует предварительно ознакомиться с элементарной структурной схемой системы, имеющей одну форсунку, трубопровод и напорную емкость с постоянным давлением топлива. Такая схема показана на рис. 35. К напорному баку 7, в котором давление поддерживается постоянным, присоединена трубопроводом 3 с постоянным сечением f и длиной l электромагнитная, форсунка 2. При малых скоростях топлива в трубопроводе (что имеет место в системах топливоподачи) можно не учитывать потери скоростного напора. Можно также пренебречь гидравлическими потерями давления вязкостного трения в трубопроводе. Тогда можно считать, что при установившемся режиме течения давление топлива по всей длине трубопровода будет равно давлению в баке р0. Предварительно примем условно, что в трубопроводе отсутствуют силы сопротивления, обусловливающие затухание волн, и что клапан электромагнитной форсунки при поступлении на ее обмотку импульса тока открывается мгновенно и при прекращении импульса тока закрывается также мгновенно.
Рис. 34. Осциллограммы пульсации давления топлива в корпусе форсунки
Рис. 35. Элементарная структурная схема системы топливоподачи
В начальный момент времени клапан форсунки закрыт и жидкость в системе неподвижна, скорость течения жидкости равна нулю, давление жидкости равно р0. В момент открытия клапана давление в форсунке падает от р0 до значения р, при котором и начинается истечение топлива. Резкое падение давления возбуждает волну разрежения, которая будет перемещаться по трубопроводу от форсунки к баку со скоростью а. Жидкость перед фронтом волны будет оставаться неподвижной, а за фронтом приобретет некоторую скорость и, обеспечивающую расход через клапан форсунки. Дойдя до бака, волна отразится от него и начнет возвращаться к форсунке. Перед фронтом волны ’Параметры жидкости останутся те же, что и в форсунке (р, u), а за фронтом волны жидкость с давлением р0 приобретет добавочную скорость. Эта волна, подойдя к форсунке, вновь отразится от нее в сторону бака в виде волны сжатия. При этом давление в форсунке несколько повысится, соответственно увеличив расход. Волна сжатия, отразившись от бака, возвращается к форсунке, причем перед волной параметры жидкости остаются прежними с повышенным давлением, а за фронтом волны — жидкость с давлением р0 и несколько пониженной скоростью. После этого весь цикл повторяется. Такой затухающий колебательный процесс с периодом Т, равным 4 l/a, будет продолжаться до тех пор, пока не установится стационарный режим истечения с давлением в форсунке, равным р0. Производительность клапана форсунки в стационарном режиме определяется по общеизвестной формуле
где pk — противодавление впрыску.
Средняя скорость топлива в сечении трубопровода будет равна: u0=q0/f, где f площадь сечения трубопровода.
Рассмотрим картину колебательных явлений, происходящих после закрытия клапана. В начальный момент времени клапан форсунки открыт, режим истечения в системе установился стационарный сдавлением р0, со скоростью потока жидкости в шланге u0 и с производительностью форсунки q0. В момент закрытия клапана происходит торможение массы жидкости, и в трубопроводе у форсунки вследствие действия инерционных сил резко повышается давление (гидравлический удар). Волна сжатия с давлением р > р0 начинает перемещаться по трубопроводу от форсунки к баку со скоростью а. Дойдя до бака, волна отразится от него к форсунке, причем перед фронтом волны параметры жидкости останутся те же, что и у форсунки (р > р0, u=0), а за фронтом волны жидкость с давлением р0 приобретает отрицательную скорость u=—u, т. е. будет вытекать из трубопровода в бак. Эта волна, подойдя к форсунке, клапан которой остается закрытым, вновь отразится от нее в сторону бака в виде волны разрежения, перед фронтом которой (со стороны бака) параметры жидкости будут р=р0, u=—u, а за фронтом (со стороны форсунки) р < p0, u=0. Волна разрежения, отразившись от бака, возвращается к форсунке, причем перед волной р < р0 и u=0, а за фронтом волны р=р0 и u=u2. После этого весь цикл повторяется. Такой колебательный процесс с периодом Т=4 l/а, при отсутствии противодействующих сил трения, будет продолжаться бесконечно. В реальном же случае он будет' продолжаться до полного затухания, т. е. пока в трубопроводе и форсунке не установится стационарный режим, при котором параметры будут равны p=p0, u=0.
Приведенные случаи колебательных явлений, возникающих в системе при открытии и закрытии клапана форсунки, наглядно показывают, что в процессе дозирования топлива большое значение имеют характеристики топливных трубопроводов системы. Поэтому процесс дозирования должен рассматриваться как совокупность явлений, происходящих во всей системе топливоподачи, и в расчете дозирования должна учитываться вся система.
Обычно нестационарное движение жидкости в системах с трубопроводами описывается известными дифференциальными уравнениями в частных производных. В системах топливоподачи аппаратуры впрыска наряду с металлическими трубопроводами применяются также и шланги из нежесткого упругого материала. В связи с этим при расчете неустановившегося режима необходимо учитывать затухание колебаний волн давления и скорости, вызываемое противодействующими силами не только вязкостного Трения жидкости, но также и внутреннего трения в материале стенок трубопровода, являющегося следствием его деформации. Приближенное решение уравнений нестационарного движения жидкости в системе топливоподачи аппаратуры впрыска может быть представлено системой уравнений в форме прямых и обратных волн, имеющих вид:
где р, u — средние в сечении значения давления и скорости; р0, u0 — средние в сечении значения давления и скорости до возмущения; а — скорость распространения волн возмущения; ρ — плотность топлива; х, t — координаты расстояния и времени; F, W — функции соответственно прямых и обратных волн давления аргументов (t—x/a) и (t+x/a); kn — фактор гидравлического сопротивления, учитывающий противодействующие силы вязкостного трения и трения в материале, стенок трубопровода.
Расчет по этим уравнениям проводят совместно с уравнениями начальных и граничных условий в рассматриваемом сечении методами численного интегрирования или конечных разностей с применением ЭВМ. В уравнениях (9) член kn учитывает затухание колебаний; он определяет интенсивность затухания волн, вызываемого как силами вязкостного трения, так и внутренними силами трения в материале трубы. Величины а и kn могут быть определены экспериментально.