Как форсунка за две миллисекунды впрыскивает ровно столько топлива, сколько нужно? Меняй давление в рампе, время впрыска и износ распылителя и смотри на график впрыска, размер капель и мощность.
В старых дизелях давление для каждого впрыска создавал отдельный плунжер насоса, и оно зависело от оборотов. Здесь задачи разделены. Насос высокого давления (ТНВД) только качает топливо в рампу и держит в ней заданное давление. Блок управления решает, когда открыть форсунку и на сколько миллисекунд. Поэтому за один цикл можно сделать несколько впрысков: маленький пилотный, основной и дополнительный. Цена за это точность деталей: игла в форсунке ходит с зазором в пару микрон, и любая пылинка в топливе ее губит.
Давление в рампе задает скорость струи, а через нее размер капель и расход через форсунку. Время открытия задает, сколько топлива уйдет за цикл. Числа под формулами берутся из опыта.
С какой скоростью вылетает струя?
Перепад давления разгоняет жидкость, как в законе Бернулли: энергия давления переходит в энергию движения. Чем выше давление, тем быстрее струя и тем мельче она дробится о плотный горячий воздух в цилиндре.
Сколько топлива за один впрыск?
Струя с площадью сечения A и скоростью v за время τ выносит объем A · v · τ. Умножаем на плотность и получаем массу. μ учитывает, что струя на выходе из отверстия сужается.
Почему так важна чистота топлива?
Правило простое: все, что больше зазора между иглой и корпусом, работает как наждак. Поэтому в системе два-три фильтра, последний держит частицы от 2–4 мкм. Вода в топливе тоже опасна: она смывает смазочную пленку, и детали трутся всухую.
Топливо загорается не сразу после впрыска, а через задержку около 1 мс. Если все топливо впрыснуть одной порцией, за время задержки его накопится много, и оно вспыхнет разом. Давление подскочит резко, это слышно как жесткий стук дизеля.
Пилотная порция в 1–3 мг прогревает камеру, и основное топливо начинает гореть почти сразу, по мере подачи. Двигатель работает мягче, тише и меньше образует оксидов азота. Дополнительная порция после основной поддерживает горение в конце и дожигает сажу, поэтому дым меньше.
Какое топливо нужно двигателю, чтобы задержка воспламенения была малой, разбирают в химии, в теме «Топливо и горение: октановое и цетановое число» (она готовится). А как момент впрыска меняет площадь индикаторной диаграммы, видно в теме 3.2.
Топливо из бочек и автозаправщиков везут по пыльным дорогам. Поэтому на заправке ставят фильтры-сепараторы и проверяют топливо на воду, а горловины баков держат закрытыми.
Фильтр тонкой очистки меняют строго по регламенту, а после замены прокачивают систему, не открывая ее лишний раз. Грязь, попавшая при замене, идет прямо к форсункам.
Блок управления меряет, насколько форсунка отличается от соседних, по неравномерности вращения. На стенде проверяют подачу и слив: увеличенный обратный слив значит изношенный клапан.
Каждую новую форсунку на заводе меряют и выбивают на ней код коррекции. При замене код вводят в блок управления, иначе цилиндр получит не ту подачу.
Если блок управления видит, что давление в рампе ниже заданного, он снижает мощность. Причины: забит фильтр, подсос воздуха, изношен ТНВД или течет форсунка.
Топливо под давлением 2000 бар пробивает кожу. Ощупывать течь на работающем двигателе руками нельзя, а после остановки нужно подождать, пока давление в рампе упадет.
Двигатель класса QSK60, 16 цилиндров по 3,77 л. Форсунка с 8 отверстиями по 0,28 мм, коэффициент расхода постоянный, игла открывается мгновенно, давление в рампе во время впрыска не проседает. Давление в цилиндре во время впрыска взято постоянным, 60 бар. Пилотная и дополнительная порции фиксированные. Размер капель оценен по упрощенной формуле, он падает с давлением и растет с износом, но реальные числа зависят от формы отверстий и плотности воздуха. Мощность считается по массе топлива с постоянным удельным расходом. Износ распылителя показан как утечка в слив и укрупнение капель.