автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование диагностирования технического состояния форсунок тепловозных дизелей

На правах рукописи

ВОЖОВА Лариса Юрьевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ФОРСУНОК ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

ОМСК 2014

005554446

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор | ВОЛОДИН Александр Иванович. |

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РСФСР ЧЕТВЕРГОВ Виталий Алексеевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор НОСЫРЕВ Дмитрий Яковлевич -

профессор кафедры «Локомотивы» Самарского государственного университета путей сообщения (СамГУПС);

доктор технических наук, профессор КОРНЕЕВ Сергей Васильевич -

профессор кафедры «Химическая технология и биотехнология» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС)».

Защита диссертации состоится 29 декабря 2014 г. в 10ш часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения и на сайте университета httpy/www.omgups.ru/diss/sovet/docs/volkova/dis^olkovajj/u.pdf

Автореферат разослан 28 октября 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь —

диссертационного совета —л*^ О- А. Сидоров.

доктор технических наук, ^^ _

профессор © Омский гос. университет

путей сообщения, 2014

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Согласно целевой программе «Стра-. тегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008 г. № 877 - р, одним из основных направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» является повышение экономичности и увеличение эксплуатационного ресурса технических средств.

Увеличение надежности и срока службы ТА тепловозов может быть достигнуто в результате внедрения метода контроля технического состояния и выявления неисправностей или отказов форсунок тепловозных дизелей, а также угла опережения впрыска топлива по изменению хода иглы распылителя. Поэтому совершенствование диагностирования технического состояния форсунок тепловозных дизелей является важной составляющей технических меро-. приятии, направленных на повышение эффективности эксплуатации и долговечности тепловозов.

Степень разработанности проблемы.

Решение этой проблемы должно быть обеспечено комплексными мероприятиями, включающими в себя широкий круг вопросов, связанных с обеспечением долговечности тягового подвижного состава (ТПС). Эффективность эксплуатации тепловозов во многом зависит от надежности и долговечности работы топливной аппаратуры (ТА), которая определяется качеством диагностирования, технического обслуживания и ремонта. Количество отказов тепловозов по сети железных дорог по причине выхода из строя дизельных установок достигает 41 % от общего числа отказов основных узлов тепловозов, в том числе 12 - 13 % от общего числа отказов дизеля по причине выхода из строя ТА. Подобное состояние тепловозного парка и ТА тепловозных дизелей обусловлено низким качеством текущих ремонтов и неточным диагностированием, что свидетельствует о недостаточной степени разработанности исследуемой темы. Значительный вклад в совершенствование методик диагностирования и повышение надежности работы топливной аппаратуры тепловозных дизелей внесли ученые и исследователи А. И. Володин, В. А. Четвергов, Н. А. Фуфрян-ский, В. Ф. Криворудченко, А. 3. Хомич, А. Э. Симеон, А. Н. Гуревич, Е. Е. Косов, В. И. Киселев, Ю. Я. Фомин, В. В. Мережко, Т. Ф. Кузнецов,

Д. Я. Носырев, С. В. Комков, П. Н. Блинов, А. Ю. Коньков и др.

Цель диссертационной работы - совершенствование методов и средств контроля технического состояния форсунок тепловозных дизелей для обеспечения работоспособности топливной аппаратуры в эксплуатации.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать возможность контроля технического состояния форсунок тепловозных дизелей по анализу хода иглы распылителя.

2. Уточнить методику гидродинамического расчета ТА, позволяющую дополнительно определять давление в замкнутой полости форсунки над иглой, а по изменению давления - ход иглы распылителя.

3. Предложить технологию оценки технического состояния форсунок тепловозного дизеля с использованием контроля хода иглы распылителя и фактического угла опережения впрыска топлива.

4. Исследовать влияние закоксовывания сопловых отверстий на продолжительность впрыска топлива, дисперсность распыливания и дальнобойность топливного факела.

5. Уточнить математическую модель теплового расчета рабочего цикла, позволяющую определять технико-экономические параметры дизеля при изменении угла опережения впрыска топлива.

6. Разработать методику оценки износа пары «игла - корпус распылителя» форсунок с механическим и электронным управлением иглы по величине утечек топлива.

7. Предложить оценку фактического угла опережения впрыска топлива по началу движения иглы распылителя форсунки относительно верхней мертвой точки (ВМТ).

8. Провести апробацию технологии контроля форсунок ТА в условиях эксплуатации и оценить ее экономическую эффективность.

Объектом исследования являлись тепловозные четырехтактные дизели 5Д49 (16ЧН 26/26), 8ЧН 26/26 и дизель Д440 (4ЧН 13/14).

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математической статистики и математическое моделирование. Для расчета и анализа гидродинамического процесса подачи, сгорания топлива применялись уточненные программы расчета ТА и рабочего процесса. Разработка программного продукта проводилась с использованием языка программирования Turbo Pascal и приложений Microsoft Office Excel, Mathcad. Экспериментальные исследования выполнялись в локомотивном депо Карасук, Но-

4

восибирской области, Западно-Сибирской дирекции по ремонту ТПС.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана технология диагностирования, позволяющая на работающем двигателе фиксировать ход иглы распылителя при помощи датчика давления. Для определения технического состояния форсунок рекомендован метод сравнения контрольной диаграммы хода иглы с реальной.

2. Уточнена программа гидродинамического расчета ТА, позволяющая определять перемещение иглы по изменению давления в полости форсунки.

3. По методу профессора И. И. Вибе разработана математическая модель теплового расчета рабочего цикла, которая позволяет определять параметры-дизеля при изменении начала сгорания топлива относительно ВМТ.

4. Предложена методика, позволяющая при уменьшении диаметра сопла (закоксовывании) определять нарушение дальнобойности топливного факела.

5. Разработана номограмма, с помощью которой можно оценивать величину закоксовывания распылителей по увеличению продолжительности впрыска топлива.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Технология диагностирования ТА по анализу движения иглы распылителя форсунки, позволяющая на работающем двигателе определять фактический угол опережения впрыска топлива, а по изменению положения характерных точек хода иглы — техническое состояние форсунки.

2. Метод оценки технического состояния форсунок с механическим и электронным управлением иглы по анализу величины утечек топлива,

3. Метод оценки тонкости распыливания топлива, нарушения дальнобойности факела в камере сгорания (КС) при изменении диаметра сопла.

4. Методика гидродинамического расчета ТА, позволяющая определять давление топлива в замкнутой полости форсунки, а по его изменению — ход иглы.

5. Программа теплового расчета, позволяющая оценить параметры рабочего процесса дизеля при изменении угла опережения впрыска топлива.

6. Номограмма для определения величины закоксовывания распылителей в эксплуатации по увеличению продолжительности впрыска топлива.

7. Технология контроля угла опережения впрыска и технического состояния форсунок дизелей с применением портативного компьютерного прибора.

Достоверность научных положений и результатов диссертации. Результаты диагностирования технического состояния ТА базируются на основе анализа движения иглы распылителя форсунки, теоретических и экспериментальных положений гидродинамического процесса топливоподачи. Использование теоретических и экспериментальных методов исследования основано на достижениях теории двигателей внутреннего сгорания, механики жидкости, газа и на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук.

Экспериментальные исследования и опытная апробация результатов работы проведены на реальных объектах с использованием сертифицированных и поверенных средств контроля и оборудования.

Достоверность теоретических исследований ТА подтверждена экспериментальными данными, полученными в локомотивных депо сети железных дорог ОАО «РЖД». Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 5 %.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

1. Предложен способ диагностирования форсунок методом сравнения контрольной диаграммы хода иглы с реальной, записанной при помощи датчика давления, установленного в линии слива утечек топлива из форсунки.

2. Разработана технология контроля технического состояния ТА тепловозных дизелей с применением измерительной аппаратуры, позволяющей повысить эксплуатационную надежность и долговечность тепловозов.

Реализация результатов работы. Разработанная методика контроля технического состояния ТА тепловозных дизелей прошла эксплуатационные испытания, была опробована и принята к внедрению в локомотивном депо Карасук, Новосибирской области Западно-Сибирской дирекции по ремонту ТПС.

Лнчный вклад соискателя состоит в следующем.

1. Дана оценка возможности диагностирования технического состояния форсунок и определения их неисправностей по анализу хода иглы распылителя.

2. Уточнена методика гидродинамического расчета ТА, позволяющая определять перемещение иглы по изменению давления топлива в полости форсунки.

3. Уточнена программа теплового расчета, позволяющая определять технико-экономические параметры дизеля при отклонении от нормативных значений угла опережения впрыска топлива.

4. Разработана методика и схема измерения, позволяющая определять фактический угол опережения впрыска топлива в камеру сгорания.

5. Предложен способ диагностирования форсунок с механическим и электронным управлением по величине утечек топлива через зазор в распылителях.

6. Предложена конструкция датчиков тензометрического и индуктивного типов для записи хода иглы распылителя.

7. Разработана номограмма, позволяющая определять величину закоксо-вЫвания распылителей по увеличению продолжительности впрыска топлива.

8. Проведены эксплуатационные испытания разработанной технологии контроля технического состояния ТА на базе ремонтного локомотивного депо Карасук подразделения Западно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава ОАО «РЖД» и дана оценка эффективности ее внедрения.

Основные положения и результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной-работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Двигатели 2008» Хабаровск, 2008; 63-й научно-технической конференции ГОУ «СибАДИ» (Омск, 2009); 65-й всероссийской научно-технической конференции ФГБОУ ВПО «СибАДИ» (Омск, 2011); 66-й международной научно-практической конференции СибАДИ (Омск, 2012); международной научно-практической конференции, посвященной 200-й годовщине победы России в Отечественной войне 1812 г. (Пермь, 2012); международной научно-технической конференции «Двигатели 2013») Хабаровск, 2013; 12-й международной научной конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе - 2014» (ФГБОУ ВПО Калининградский государственный технический университет).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, в том числе пять - в изданиях, определенных перечнем ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований, приложения и содержит 176 страниц основного текста,72 рисунка, 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан анализ надежности работы ТА тепловозных дизелей в условиях эксплуатации, обоснована актуальность темы исследования.

В первой главе рассматриваются условия работы тепловозов и эксплуатационные факторы, влияющие на надежность и техническое состояние ТА. Согласно данным ОАО «РЖД» общая доля неисправностей дизельного оборудования локомотивов составила 41 %, в том числе ТА — 12 — 13 % .

К основным неисправностям ТА следует отнести несоответствующий нормативным значениям угол опережения подачи топлива (30 %); неточность (неравномерность) подачи топлива по цилиндрам двигателя (10 %); износ иглы форсунки (8 %); нарушение герметичности посадочного конуса распылителя и ухудшение качества распыливания (10 %); образование кокса в сопловых отверстиях (5 %); «зависание» иглы распылителя (8 %); снижение давления начала открытия иглы (7 %); износ плунжерных пар или их «заклинивание» (10 %); износ нагнетательных клапанов и пар «кулачок — толкатель» ТНВД (12 %).

Установлено, что наиболее перспективным в системе диагностирования является контроль технического состояния ТА по изменению положения характерных точек давления топлива в трубопроводе высокого давления и хода иглы распылителя форсунки.

На основе анализа современного состояния исследуемой проблемы сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Во второй главе приведена методика расчета процесса подачи топлива в дизеле с дополнительным определением давления в объеме форсунки над иглой. Показано, что изменение движения иглы распылителя форсунки идентично изменению импульса давления, возникающего при движении иглы и сжатии топлива в замкнутой полости форсунки. Поэтому изменение перемещения (хода) иглы предложено определять по изменению давления топлива в замкнутой полости корпуса форсунки.

Уточнена методика гидродинамического расчета процесса впрыска топлива в дизелях с определением давления в объеме над иглой форсунки, что позволяет косвенно анализировать движение иглы распылителя.

Граничные условия в форсунке с замкнутым объемом описываются системой уравнений:

б пна0Уф

6 пнти

с1ср " 6 пи

где Рф и Рс -давление перед форсункой и сопловыми отверстиями, Н/м2; Рг - давление газов в цилиндре дизеля, Н/м2; (]л/)р - эффективное проходное сечение распылителя, м2; {/„ - скорость движения иглы, м/с; /Т — площадь сечения трубопровода, м2; (7Т - скорость движения топлива в трубопроводе, м/с; Уу - утечки топлива через пару «игла - корпус распылителя», м3; РФо - давление начала подъема иглы, Н/м2; <т- ступенчатая функция, равная нулю или единице в зависимости от наложенных на нее условий.

Отличительная особенность уравнений граничных условий у форсунки заключается в том, что в них учтено дополнительное воздействие на иглу гидравлической пружины:

а

(2)

где /и - площадь поперечного сечения иглы, м ; Уф — замкнутый объем в корпусе форсунки над иглой, м3; а? - коэффициент сжимаемости топлива, м2/Н.

Изменение давления в замкнутой полости корпуса форсунки зависит от хода иглы и определяется выражением:

Рк= У„/(ат-Уъ), (3)

где Уи — объем топлива, вытесняемый иглой,

Уи = л-^иу/4, (4)

здесь с/и и у — диаметр и ход иглы распылителя.

На рис. 1 приведены графики перемещения (хода) иглы и давления в объеме над иглой при ее движении, полученные экспериментальным путем. Вид графиков абсолютно одинаков, что позволяет рекомендовать запись перемещения иглы форсунки на работающем двигателе тензометрическим датчиком давления, что важно для организации процесса диагностирования форсунок, не

имеющих встроенных датчиков для записи хода иглы.

В третьей главе представлена методика расчета процессов распыливания и сгорания топлива в цилиндре дизеля. Приведена методика определения диаметра соплового отверстия и эффективного проходного сечения, показано их изменение при закок-совывании распылителя. Согласован период задержки самовоспламенения топлива с дальнобойностью топливного факела и размерами КС.

Уточнена методика теплового расчета, приведены результаты расчета рабочего процесса дизеля 16ЧН 26/26 при изменении угла начала сгорания топлива /оп относительно ВМТ. Предложена схема измерения и приведена технология диагностирования угла опережения впрыска топлива ср ф оп, показано его влияние на изменение параметров рабочего процесса дизеля.

На рис. 2 представлена схема подключения измерительной аппаратуры для диагностирования форсунок ТА тепловозных дизелей.

ПК

Рис. 2. Схема измерения для проведения диагностирования ТА

На рис. 3 показаны персональный компьютер (ПК), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), датчики для измерения перемещения иглы (индуктивные), давления (тензометрические и пьезокварцевые).

В современных датчиках имеются встроенные АЦП, что упрощает процесс измерения хода иглы, отметки ВМТ и давления топлива.

10

N

/ V

/

0 2 1, 6 8 10 12 'кул бала

ч> —-

/ Л

/ \

/ \

О 2 4 6 8 10 12 'кул Нала <р --

Рис. 1. Изменение перемещения иглы (а) и давления при ее движении (б)

Рис. 3. Персональный компьютер, аналогово-цифровой преобразователь, датчики для измерения перемещения иглы и давления топлива

На рис. 4 показаны индуктивный датчик 1 и диск 2 (закрепленный на маховике) с пазами для отметки ВМТ. Число пазов на диске должно соответствовать числу цилиндров дизеля. По фазовому сдвигу начала подъема иглы 3 и отметки ВМТ в точке 4 определяют фактический угол опережения впрыска топлива ср\ф оп и при необходимости корректируют его.

Рис. 4. Способ определения фактического угла опережения впрыска топлива относительно ВМТ: 1 — индуктивный датчик; 2 - диск с пазами; 3 - ход иглы распылителя;

4 — ВМТ первого цилиндра; 5 - отметка поворота коленчатого вала

На рис. 5 показана схема установки датчика давления в верхней части форсунки тепловозного дизеля 16ЧН 26/26, который позволяет косвенно фиксировать ход иглы. Для топливных систем с высоким остаточным давлением в корпусе датчика 3 рекомендуется установка предохранительного клапана.

На рис. 6 приведена схема крепления индуктивного датчика в корпусе форсунки, который также может быть использован для записи хода иглы и непрерывного диагностирования ТА.

Рис. 5. Схема установки датчика давления в форсунке для измерения

хода иглы: 1 - корпус форсунки; 2 - регулировочный винт; 3 - датчик давления; 4 - штуцер

Рис. 6. Крепление индуктивного датчика в форсунке для записи хода иглы: 1 - корпус форсунки; 2 - винт

регулировочный; 3 - шток; 4 - катушки; 5 - датчик; 6 - штуцер

Для тепловозных дизелей мощностью более 500 кВт предложена расчетная номограмма (рис. 7). Каждая линия номограммы построена для постоянных значений эффективного проходного сечения распылителя /¿Р и скорости истечения топлива из сопла6>т. При изменении продолжительности впрыска (рв определялось новое значение цикловой подачи ¿7ц. Номограмма построена для частоты вращения вала насоса «н = 500 мин"1, среднего давления топлива перед сопловыми отверстиями АР = 40 МПа, плотности рг = 850 кг/м3.

Общая формула для расчета номограммы имеет вид:

<?ц = ^РФ 6Т Л 000 = рР- д/2-АР! рт -1 000.

6-«н

(5)

Величина зависит от ДР. Так, для АР, равного 50, 100, 150 МПа, значение 6Т достигает 340, 480, 590 м/с. Для постоянных цр, АР и и„, но переменной (ръ (например, 10 ,15, 20, 25 °) определяют По найденным значениям ди (минимум пять точек) проводится линия (например, для цр= 0,5 мм2).

Из анализа рис. 7 следует, что при уменьшении ^Р увеличивается продолжительность впрыска (2>в (время , что принято в качестве диагностического

12

сигнала при оценке технического состояния распылителей форсунок. Обычно уменьшение /¿Р при эксплуатации дизеля происходит в процессе образования кокса в сопловых отверстиях. Так, для <?ц=1 500 мм3 (5Д49) уменьшение /¿Р с 0,86 до 0,7 мм2 (см. рис. 7) привело к увеличению <рв с 17 до 21

Снижение /¿Р на 0,1 мм2 приводит к увеличению продолжительности впрыска топлива на 2 - 3 ° поворота кулачкового вала насоса.

Уточнены математическая

т-

1700

1Í00

<7«

у 6) /

/ / / /

/ / / s /

/ / 1/ / /

/ / 1/ / / у

/ / / /

/ / / / у

/ / / / /

/ / ✓ / у 2

/ / / /

/ 1

11 12 13 H 15 16 17 18 19 20 21 22 град

модель и программа теплового расчета с использованием метода И. И. Вибе. Программа позволяет определять давление, температуру в цилиндре в процессе всего времени сгорания, а также технико-экономические показатели дизеля в зависимости от состояния узлов ТА и угла начала сгорания топлива <р'оп

относительно ВМТ.

(Ра --

" 2 На рис. 8 приведены рас-

Рис. 7. Номограмма зависимости ¡iF, мм четные значения изменения дав-от9ци <рв\ 7-0,4; 2-0,5; 3-0,6; 4-0,7;

5_0 8' 5-0 9' 7-10 ления Р, температуры 7, части

выгоревшего топлива X и относительной скорости выгорания топлива W„ в цилиндре дизеля 16ЧН 26/26 для ¡роп = 27 °(/оп = 10 °) до ВМТ.

Результаты расчета практически не отличаются от технико-экономических показателей дизеля 16ЧН 26/26 (5Д49), полученных экспериментальным путем (погрешность расчета не превышает 5 %).

Расчетным путем было определено влияние на рабочий процесс угла начала сгорания топлива <р'оп относительно ВМТ. От величины угла (р оп зависят технико-экономические показатели дизеля. За исходное было принято начало сгорания топлива в ВМТ ç/on = 0. С увеличением угла (р'оп удельный эффективный часовой расход qc уменьшается, а Рг, Tz, AP/Atp, rje возрастают.

Для тепловозных дизелей типа 5Д49 величина геометрического начала нагнетания топлива <роп до ВМТ (опережение подачи) составляет 27 - 28 и включает в себя: угол, необходимый для прихода волны давления от штуцера

насоса до распылителя (3-4 угол от начала роста давления в канале форсунки до момента открытия иглы (10 - 11 ); угол задержки воспламенения (8-9 угол от начала воспламенения топлива до ВМТ (6 -7

Рис. 8. Результаты теплового Рис. 9. Изменение параметров расчета дизеля 16ЧН 26/26 рабочего процесса дизеля

16ЧН 26/26 от угла /оп

Фактический угол начала подачи топлива в КС (от начала подъема иглы до ВМТ) составит 10 — 13 0 поворота коленчатого вала дизеля.

В четвертой главе приведены результаты диагностирования форсунок ТА тепловозных дизелей по анализу хода иглы распылителя.

Диагностирование форсунок в условиях эксплуатации рекомендуется проводить по анализу хода иглы методом сравнения контрольной диаграммы с реальной. На рис. 10 показаны осциллограммы хода иглы для характерных не-, исправностей форсунок дизеля 8ЧН 26/26. Контрольная осциллограмма приведена на рис. 10, а. Впрыск топлива начинается в точке 1 за 10 0 до ВМТ поршня. По положению данной точки определяют правильность установки угла опережения подачи топлива (рт. Увеличение хода иглы (например, с 0,6 до 0,8 мм) уменьшает участок 2-3, что способствует запаздыванию посадки иглы на седло и ухудшает качество распыливания топлива.

На рис. 10, б приведены осциллограммы с ранним (линия I1 — 21) и поздним (линия 1" - 2") впрыском топлива. Поздний впрыск возможен при износе

плунжерной пары и увеличении зазора в корпусе распылителя.

На рис. 10, в показаны подъем иглы и ее посадка с различными скоростями. Вялый впрыск (линия 1 - 2") возможен при износе плунжерной пары насоса, увеличении зазора в распылителе. Увеличение скорости подъема иглы (линия 1 - 21) происходит в результате повышения цикловой подачи топлива, образования кокса в сопловых отверстиях. Уменьшение скорости посадки иглы (линия 3 - 4") происходит в результате снижения давления открытия иглы или

На рис. 10, г показано изменение движения иглы с дополнительным впрыском топлива, при-, чиной этого может быть «зависание» нагнетательного клапана ТНВД, уменьшение сечения сопловых отверстий распылителя.

На рис. 10, д приведена осциллограмма при потере подвижности иглы форсунки. При «зависании» иглы форсунка работает как открытая, с проникновением цилиндровых газов в полость распылителя и его закоксовыванием.

На рис. 11 показана форсунка тепловозного двигателя 16ЧН 26/26. Утечки топлива через зазор между корпусом распылителя 2 и иглой 3 отводятся из корпуса 8 при помощи трубопровода 14. иглы распылителя в зависимости от вида Объем утечек топлива зави-

неисправностей форсунки и ТНВД сит от величины ОСТаточного давления Р0, давления в канале форсунки Рф, диаметра иглы с?, радиального зазора в паре «игла - корпус распылителя» §, длины уплотняющей поверхности иглы I и динамической вязкости топлива ц. По величине утечек топлива определяют зазор в паре «игла - корпус распылителя» и его допустимое значение.

закоксовывания сопловых отверстии.

Им 0.6

а «

0.2

Инн

06

б « 0.2

2 )

/ \

\

1 /

-15 -Ю -5 О 5 Ю Б 20 25<р'ПКшгВ | | ВМТ

ш

Л

I

№

Зс

-Е -Ю -5 О 5 Ю К 20 25<р-ПКтВ

Инн

0.6

6 « а2

А 2 г 3

/ %

Я'

/ П сЦ £

-5 0 5 Ю К 20 25<р' П КапВ

0.6 0.1

И

щ-

1

-15 -Ю -5 0 5 Ю 15 20 259'ПКш1В

Инн

06

д «< 02

-В -10 -5 0 5 « 15 20 25<р'ПКагВ

Рис. 10. Изменение осциллограмм хода

Для систем подачи топлива без остаточного давления утечки через зазор в паре «игла - корпус распылителя» за время впрыска определялись по формуле (6), а с его наличием дополнительно использовалась формула (7).

К,

л-с1-8ъ-р

\1-l-jJ. г,

¡Рф-Л-,

л-с1-52-Р

(6)

(7)

у 12 -1-ц где /? - коэффициент, равный 1,1 — 1,15.

В таблице приведены расчетные значения утечек топлива из форсунки за цикл в зависимости от величин 8 и Р0 для дизеля 16ЧН 26/26. Частота вращения вала насоса была равна 500 мин"1, диаметр иглы - 8 мм, длина направляющей части иглы -30 мм, среднее давление в канале форсунки - 50 МПа, динамическая вязкость топлива- 1,5-10" Па с.

При радиальном зазоре 5 мкм утечки топлива за цикл из линии высокого давления через форсунку достигают 20 мм3 СРо = 20 МПа), что уменьшает цикловую подачу примерно на такую же величину.

При радиальном зазоре более 4-5 мкм (диаметральный 8-10 мкм) нарушается центрирование осей корпуса распылителя и иглы, что приводит к потере герметичности посадочного конуса и течи топлива через него. Распылители с данным зазором выбраковываются.

Рис. 11. Разрез форсунки дизеля 16ЧН 26/26

Утечки топлива за цикл через зазор в паре «игла - корпус распылителя», мм3

Остаточное давление Р0, МПа Радиальный зазор в распылителе, мкм

1 2 5 7 10

0,0 0,035 0,28 4,4 12,0 35,0

5,0 0,0 6 0,48 7,5 20,6 60,0

10,0 0,085 0,68 10,6 29,1 85,0

15,0 0.11 0,9 13,75 37,7 110,0

20,0 0,135 1,08 20,0 47,0 135,0

В диссертационной работе также приведена методика контроля форсунок с электронным управлением иглы по величине утечек топлива через зазор в направляющей распылителя, через зазор между поршнем управления и корпусом, и через клапан управления.

В пятой главе,проведена оценка технико-экономической эффективности внедрения прибора для контроля угла опережения впрыска топлива и технического состояния форсунок, что позволит улучшить систему технического обслуживания и ремонта тепловозов в локомотивных депо.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Расчетным и экспериментальным путем подтверждена возможность диагностирования технического состояния форсунок тепловозных дизелей методом сравнения контрольной диаграммы хода иглы распылителя с реальной диаграммой, записанной датчиком давления, установленным в сливной магистрали форсунки (контрольное диагностирование). Для записи хода иглы в процессе длительной эксплуатации рекомендуется индуктивный датчик с постоянным креплением в корпусе форсунки.

2. Уточнены методика и программа гидродинамического расчета процесса топливоподачи, позволяющие дополнительно определять ход иглы распылителя по изменению давления топлива в замкнутой полости форсунки.

3. Разработана номограмма, которая позволит в условиях эксплуатации определять величину закоксовывания сопловых отверстий распылителей по увеличению продолжительности впрыска топлива. Снижение эффективного проходного сечения распылителя на 0,1 мм2 приводит к увеличению продолжительности впрыска топлива на 2 - 3 0 поворота кулачкового вала насоса.

4. Исследовано влияние закоксовывания сопловых отверстий распылителей на дисперсность распыливания и дальнобойность топливного факела, приведена методика согласования дальнобойности факела с периодом задержки воспламенения и размерами камеры сгорания.

5. Уточнена математическая модель теплового расчета рабочего цикла, позволяющая определять технико-экономические параметры дизеля при изменении начала сгорания топлива относительно ВМТ. Приведены методика и схема установки для определения фактического угла опережения впрыска по началу

движения иглы распылителя форсунки. Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 5 %.

6. Предложена методика, позволяющая по величине утечек топлива из форсунок с механическим управлением определять износ направляющей иглы (зазор между иглой и корпусом распылителя), а также герметичность камеры управления и клапана управления для форсунок с электронным управлением.

7. Испытания измерительной аппаратуры показали ее работоспособность и эффективность как при оценке фактического угла опережения впрыска топлива, так и при определении неисправностей форсунок.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения прибора для диагностирования угла опережения впрыска топлива и технического состояния форсунок тепловозных дизелей составит 452 730 р. в год на эксплуатируемый парк (10 секций тепловозов 2ТЭ10 М) локомотивного депо Карасук ЗападноСибирской дирекции по ремонту ТПС ОАО «РЖД». Срок окупаемости дополнительных затрат должен составить 0,47 года.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1.Живоченко А. В. Датчик для записи подъема иглы форсунки дизеля /А. В. Живоченко, Л. Ю. Михайлова// Вестник Павлодарского университета. 2001. № 4. С. 110 - 112.

2. Михайлова Л. Ю. Датчик давления для осциллографирования хода иглы распылителя форсунки / Л. Ю. Михайлова// Материалы всерос. научн.-техн. конф. / Сибирская гос. автомобильно-дорожная акад. СибАДИ. Омск, 2011. Кн. 2. С. 397-402.

3.Володин А. И. Расчет параметров струи впрыскиваемого жидкого топлива тепловозных дизелей / А. И. В о л од и н, Л. Ю. Михайлова// Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технология. Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2011. № 3 (103). С. 143 - 147.

4. Макушев Ю. П. Расчет и анализ индикаторной диаграммы двигателя с использованием математических методов / Ю. П. М а к у ш е в, Т. А. П о л я к о в а, Л. Ю. Михайлова// Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технология. Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2011. № 1 (97). С. 14-19.

5. Макушев Ю. П. Методика диагностирования топливной аппарату-

ры дизеля по изменению давления на входе в форсунку и движения иглы / Ю. П. М а к у ш е в, JI. Ю. М и х а й л о в а, А. В. Ф и л а т о в // Материалы междунар. науч.-практ. конф. Изд-во Пермского национального исследовательского политехнического ун-та. Пермь, 2012. Т. 1. С. 347-354.

6. М и х а й л о в а JI. Ю. Диагностирование форсунки и насоса высокого давления по анализу движения иглы / Л. Ю. Михайлова// Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технология. Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2012. №3(113). С. 172- 176.

7. М а к у ш е в Ю. П. Расчет рабочего цикла двигателей внутреннего сгорания / Ю. П. Макуше в, JI. Ю. Михайлова, А. В. Филатов// Материалы междунар. науч.-практ. конф. Сибирская гос. автомобильно-дорожная акад. СибАДИ. Омск, 2012. Кн. 2. С. 63 - 67.

8. Михайлова JI. Ю. Диагностика форсунки дизеля по анализу хода иглы и утечкам топлива / Л. Ю. Михайлова// Вестник инновационного евразийского университета. Павлодар, 2011. №3(43). С. 99- 105.

9. Макушев Ю. П. Диагностика форсунок дизелей, их регулировка и восстановление / Ю. П. Макушев, Л. Ю. Михайлова// Актуальные проблемы создания, проектирования и эксплуатации современных двигателей внутреннего сгорания: сб. науч. тр. / под ред. В. А. Л а ш к о. Тихоокеанский гос. ун-т. Хабаровск, 2012. вып. 5. С. 125 - 132.

10. Володин А. И. Причины образования кокса в сопловых отверстиях распылителей форсунок дизелей / А. И. В о л о д и н, Л. Ю. Михайлова, Ю. П. Макушев// Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2013. №1 (117). С. 59 - 63.

11. Л а ш к о В. А. Диагностика угла опережения впрыска топлива и его влияние на протекание рабочего процесса дизеля / В. А. Л а ш к о, Ю. П. М а -куше в, Л. Ю. Михайлова// Материалы междунар. науч.-техн. конф. «Двигатели 2013». Тихоокеанский гос. ун-т. Хабаровск, 2013. С. 201 —212.

12. Сковородников Е. И. Диагностирование топливной аппаратуры тепловозных дизелей по анализу движения иглы форсунки / Е. И. С к о в о-родников, Л. Ю. Михайлова// Известия Транссиба. Сибирский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013. №4 (16). С. 35 - 39.

Типография ОмГУПСа. 2014. Тираж 100 экз. Заказ 593. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35