Теоретические сведения

Дросселирующие устройства предназначены для регулирования расхода потоков в различных технических системах путем изменения потерь энергий потока при дросселировании. В двигателях с внеш­ним смесеобразованием (с карбюраторной системой топливоподачи и с системой впрыска топлива) дроссельная заслонка служит для из­менения количества заряда (топливовоздушной смеси или воздуха), поступающего в цилиндры двигателя. Конструктивно дроссельные заслонки выполняются в виде поворотных дисков (дисковая заслон­ка) или в виде возвратно-поступательно перемещающихся пластин (пластинчатая заслонка). Первый тип заслонок получил наибольшее распространение на автомобильных и стационарных двигателях, имеющих карбюраторы или системы впрыска топлива. Второй тип заслонок используется главным образом в мотоциклетных карбюра­торах. При оснащении карбюраторов пневматическими ограничителя­ми максимальной частоты вращения двигателей применяются фигур­ные дроссельные заслонки.

Обычно дроссельная заслонка дискового типа, работу которой и будем подробно изучать далее, имеет угол поворота от 0° (пол­ное открытие) до 75° (полное закрытие), т.е. она даже в закры­том положении располагается с некоторым наклоном к оси смеси­тельной камеры (рис. 1). Зто сделано для того, чтобы заслонка не заклинивалась между стенками канала. Другой особенностью конструкции дроссельной заслонки является выполнение под опре­деленным углом т скосов на кромках заслонки (рис.1,в) для более плотного прилегания ее к стенке смесительной камеры в закрытом положении. При этом достигается не только большая герметичность дроссельного узла, но и исключается явление "закусывания" зас­лонки в канале. Обычно толщина дисковой заслонки составляет 1...2,5 мм. На поворотной оси дроссельная заслонка крепится в прорези или "внакладку" с помощью двух винтов. Между стенками смесительной камеры и закрытой дроссельной заслонкой зазор не должен превышать 0,05...О,06 мм, что контролируется щупом. Этот зазор оказывает влияние на регулировку минимальной частоты вра­щения вала двигателя на холостом ходу.

Подобная конструкция дроссельного узла с дисковой заслон­кой применяется в системах внешнего смесеобразования уже более 100 лет благодаря своей простоте и надежности. Несмотря на конструктивную простоту такого узла, его работа сопровождается достаточно сложными газодинамическими процессами. Сама картина обтекания заслонки потоком является сложной (рис. 1,а). При частичном открытии заслонка дезорганизует поток, разделяя его на две неравные части. Поток перераспределяется, в большей сте­пени обтекая заслонку со стороны более широкого входа (задней кромки заслонки), причем это перераспределение сохраняется еще на значительном расстоянии от заслонки - не менее чем на протя­жении 4...5 диаметров канала. Такое обтекание заслонки вызывает нарушение равномерной структуры потока не только за заслонкой, но и на некотором расстоянии до нее (примерно на расстоянии од­ного диаметра канала).

При обтекании не полностью открытой дроссельной заслонки топливовоздушной смесью капли топлива частично отжимаются к стенке канала и выпадают в топливную пленку, а частично дро­бятся потоком в наиболее узких сечениях за счет высоких скорос­тей и вихреобразования в зоне кромок заслонки.

При полностью открытой заслонке поток несколько стабилизи­руется и вихреобразование уменьшается. В зтом случае заслонка создает дополнительное газодинамическое сопротивление во Епуск- ном тракте, которое может достигать 30% общего сопротивления впускной системы.

Особенностью работы частично открытой дроссельной заслонки дискового типа является возникновение на ее оси так называемого реактивного момента, который стремится вернуть заслонку в по­ложение ее полного закрытия. Причина появления реактивного мо­мента заключается в несимметричном обтекании потоком ее перед­ней и задней по потоку половин. При этом перепад давлений на задней половине заслонки (см. рис.!) становится меньше перепада давлений на передней половине. Величина реактивного момента яв­ляется функцией углового положения дросселя и его размеров. При полном открытии и полном закрытии заслонка статически уравнове­шена, так как моменты и силы, действующие на ее полоеины, равны друг другу. Для привода заслонки в движение исполнительный ме­ханизм должен создать момент, способный преодолеть реактивный момент и момент трения на оси заслонки.

Дроссельная заслонка как устройство для регулирования рас­хода оценивается законом изменения проходного сечения S по углу поворота в, зависимостями коэффициента расхода ц., коэффициента сопротивления с, коэффициента сжатия s от углового положения заслонки (или от относительной плошаци S/Smax).

Зависимость проходного сечения S для обычной дисковой зас­лонки в канале круглого поперечного сечения описывается выраже­нием

s = SmaxCl - Sin в), (1)

где S - площадь проходного сечения заслонки, соответствующая ее текущему углу поворота; S_max~ максимальная площадь проходного

сечения заслонки, соответствующая ее полному открытию.

Зависимость (1) представляет собой конструктивную характе­ристику, которую можно считать близкой к параболической (рис.2). Именно из-за нелинейной связи S и угла 0 мощность двигателя из­меняется не пропорционально повороту дроссельной заслонки. Это определяет и нелинейный характер изменения разрежения за дрос­селем и в узком сечении диффузора карбюратора в зависимости от положения заслонки (рис. 3).

Коэффициент расхода мю и коэффициент сопротивления г, могут быть определены расчетным или опытным путями. Для расчета д. мо­жет быть использована формула, вытекающая из уравнения Бернулли для несжимаемого турбулентного потока при отсутствии газодина­мических потерь в сужающейся части

где s = S/S_max ~ относительное проходное сечение заслонки;

г = S_Cyxc/S - коэффициент сужения струи;

3_Суж - действительная площадь проходного сечения при суже­нии потока в наиболее узких сечениях между заслонкой и каналом.

Следует отметить, что из-за различных условий обтекания передней и задней по потоку кромок заслонки, коэффициенты суже­ния струи у передней £_п и задней s_a кромок отличаются по вели­чине. Коэффициент е_п оказывается значительно меньшим и завися­щим от максимального угла поворота заслонки (рис. 4). Коэффици­ент £_Э заметно больше и практически не зависит от вшах- Расчет коэффициентов сужения е_п и £_э довольно сложен и ведется с ис­пользованием функций комплексного переменного.

Коэффициент сопротивления е, дисковой заслонки в круглом канале может быть вычислен для очень широкого диапазона чисел Рейнольдса R_e по формулам

площади проходного сечения по углу поворота заслонки.

Опытным путем определить зависимость потери напора на дросселе ДН от его углоеого положения з при трех различных зна­чениях расхода воздуха. Построить зависимости ДН = f(0) для этих значений расхода.

По формулам (6)-(8) и полученным опытным данным опреде­лить значения |±, £ по углу поворота дросселя в для различных расходов воздуха. Построить графики зависимостей ц=Г(3), £=f(0), s=f(0) для трех значений расходов воздуха.

Осуществить продувку дроссельных узлов карбюратора и блока топливоподачи системы центрального впрыска топлива при полном открытии заслонок и различных расходах воздуха. Рассчи­тать и построить графически зависимости £> = f(Q_£) и г, = f (Re) для этих двух устройств топливоподачи.

Проанализировать результаты работы, сделать выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

15. Опишите картину течения потока через дроссельную зас­лонку дискового типа.

16. Каковы особенности конструкции дроссельной заслонки дискоеого типа?

17. Какие геометрические параметры характеризуют работу дроссельной заслонки?

18. Как влияет дроссельная заслонка на смесеобразование в бензиновом двигателе?

19. Какие газодинамические параметры характеризуют работу дроссельной заслонки?

20. Как теоретически определяется коэффициент сопротивления 4 дроссельной заслонки?

21. Как экспериментально определить коэффициенты сопротив­ления 2,, расхода м- и сужения г дроссельной заслонки?

22. Сравните сопротивление карбюратора и блока топливопода- чи системы центрального впрыска топлива. За счет чего сопротив­ление одного из них меньше?

23. Как изменяется коэффициент сопротивления е, от угла по­ворота дроссельной заслонки?

24. Каков диапазон скоростей потока при течении через дрос­сельную заслонку?

25. Как влияет конструкция дроссельного узла на его сопро­тивление потоку?

26. Каковы источники потерь энергии потока при течении че­рез дроссельную заслонку?