автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Моделирование и контроль технического состояния форсунок тепловозного дизеля

ОЙ- /с2

САМАРСКИМ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ! ^ .<„ /

I /

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГ О ТРАНСПОРТА 4 На правах рукописи

Анахова Марина Вениаминовна

УДК 629.424.3:621.43.038.8

МОДЕЛИРОВАНИЕ И КОНТРОЛЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ФОРСУНОК ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ

05.22.07. - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, заслуженны*! деятель науки и техники РФ, академик Академии транспорта России Павлович Евгений Станиславович

Консультанты:

кандидат технических наук, доцент Носырев Дмитрий Яковлевич кандидат технических наук,доцент Валиуллин Рушан Габдулович

САМАРА 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................................5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ....................................................................8

1.1. Основные направления повышения эффективности работы топливной аппаратуры дизелей......................................................8

1.2. Обзор работ по проблеме образования углеродистых отложений......................................................................................Ю

1.3. Анализ причин образования отложений......................................12

1.3.1. Влияние условий эксплуатации.............................................13

1.3.2. Влияние состава топлива на образование углеродистых отложений....................................................................................19

1.4. Выводы........:...............................А-...... •...............................32

2.РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ФОРСУНКИ В УСЛОВИЯХ ОБРАЗОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ......................35

2.1. Общая постановка задачи ..............................................................35

2.2. Расчет теплового состояния форсунки в нестационарных условиях...............................................................................................43

2.2.1. Несимметричные граничных условиях.................................44

2.2.2.Симметричные граничные условия.........................................53

2.3. Модель теплофизического состояния форсунки в условиях протекания топлива.............................................................................57

2.3.1. Турбулентное течение топлива с постоянной по сечению скоростью............................................................................................58

2.3.2. Турбулентное течение топлива с заданным профилем скорости..............................................................................................62

2.3.3. Ламинарное течение топлива с постоянной по сечению скоростью............................................................................................69

2.3.4. Ламинарное течение с заданным профилем скорости............77

2.4. Механизм и математическая модель процесса образования углеродистых отложений.................................................................79

3.РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬШЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ В ФОРСУНКЕ...................86

3.1. Особенности теплового состояния форсунки...................................86

3.2. Экспериментальные исследования процесса образования углеродистых отложений....................................................................89

3.2.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента...........................................................................89

3.2.2. Исследование влияния температуры и скорости топлива 94

3.2.3. Исследование влияния состояния внутренних поверхностей стенки.......................................................................................98

3.3. Расчетное исследование процесса образования отложений в форсунке...........................................................................................102

3.4. Моделирование дефектов форсунки и выбор диагностического параметра...........................................................................................109

4. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ФОРСУНОК ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ............................................................................114

4.1. Задачи технического диагностирования форсунок........................114

4.2. Организация технического диагностирования форсунок..............115

4.3. Выбор стратегии ремонтных воздействий на форсунку................116

5. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО УЛУЧШЕНИЮ ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ ФОРСУНКИ...........................................................................120

5.1. Способ оценки технического состояния форсунки........................120

5.2. Способы восстановления работоспособности элементов..................

форсунки..................................................................................................121

5.2.1. Физико-химические способы .............................................Л 22

5.2.2. Термический способ................................................................124

6 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ...........................127

ВЫВОДЫ..........................................................................................................131

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.............................................................................................14В

ПРИЛОЖЕНИЕ. 2...,.........................................................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ. 3.............................................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Анализ тенденций развития современного парка дизелей свидетельствует, что наряду с задачами повышения мощности, надежности и ресурса дизелей большое значение имеют задачи повышения их экономичности в эксплуатации. Все эти задачи взаимосвязаны. Расширение диапазона примененяемых топлив приводит к увеличению температур,давлений и жесткости цикла,а также тепловых нагрузок на детали.

Обеспечение требуемой экономичности и надежности работы дизелей зависит от знания температурного уровня и эффективности мероприятий по снижению теплонапряженности деталей дизеля. Как показывает статистика,наибольшее число отказов дизелей приходится на топливную аппаратуру. Поэтому, существенный резерв по повышению надежности, мощности и экономичности имеет топливная аппаратура дизелей, в частности -форсунка.

Теоретические и экспериментальные работы, публикуемые в мировой научно-технической литературе, позволяют выделить основные направления научных исследований в этой области:

• развитие средств контроля и диагностики элементов дизеля, в том числе топливной аппаратуры;

• разработка методов расчета теплового состояния элементов топливной системы дизеля в условиях протекания топлива;

• математические моделирования термодинамических процессов в дизеле.

Поэтому весьма актуальной является задача разработки методов расчета теплового состояния форсунок тепловозного дизеля в условиях протекания топлива. Экономичность работы дизелей в значительной степени определяется надежностью распылителя и форсунки. Одной из основных неисправностей в работе распылителя является закоксовывание распыливающих отверстий, в результате которого снижается мощность и

увеличивается расход топлива вследствие нарушения смесеобразования и горения, что в конечном итоге сказы вется на производительности и экономичности дизеля. Предлагаемый в диссертации метод оценки температурных режимов с учетом протекания топлива, позволяет моделировать и прогнозировать тепловые процессы в форсунке, приводящее к образованию углеродистых отложений в отверстиях распылителя. Использование результатов выполненных исследований позволит повысить надежность работы топливной аппаратуры дизеля, а также дизеля в целом.

Цель работы. Обоснование и разработка метода расчета теплового состояния форсунок дизеля в условиях протекания топлива, способа контроля технического состояния форсунок, способ восстановления распылителей.

Методы исследования. В работе использованы методы математическо статистики, аналитические методы решения задач нестационарной теплопроводности в многослойных конструкциях, приближенные методы решения нестационарных сопряженных задач тепломассобмена при течении жидкости в каналах и методы программного моделирования процессов на ЭВМ.

Основой создания способа контроля технического состояния форсунки дизеля является мониторинг давления подачи топлива в топливном трубопроводе со стороны корпуса форсунки. Измерение давления выполнялось путем установки датчика давления на трубопроводе. Экспериментальные исследования проводились с учетом характеристик потока топлива с целью моделирования условий нагарообразования.

Научная новизна.

• Разработана математическая модель теплофизического состояния форсунки тепловозного дизеля , позволяющая рассчитать нестационарные температурные поля при симметричных и несимметричных граничных условиях в условиях ламинарного и турбулентного течения потока топлива с постоянной по сечению скоростью и с заданным профилем скорости;

• Разработаны механизм и математическая модель процесса образования углеродистых отложений;

• Обоснован выбор диагностического параметра, позволяющего достоверно оценить техническое состояние форсунки;

• Разработан способ контроля технического состояния форсунки.

Практическая ценность.

• Выявлены причины образования углеродистых отложений в элементах форсунки тепловозного дизеля;

• Разработана программа для ЭВМ, позволяющая прогнозировать появление углеродистых отложений в топливной аппаратуре;

• Разработаны способы снижения углеродистых отложений в форсунке тепловозного дизеля;

• Разработаны и апробированы способы восстановления технических характеристик распылителей форсунок.

» Разработан безразборный способ контроля технического состояния форсунки.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены и обсуждены на '.Всесоюзной научно технической конференции (Омск,1989г.); Ш Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы развития локомотивостроения» (Луганск, 1990г.); межвузовском сборнике научных трудов (выпуск 5, Самара, 1992г.), межвузовской с международным участием научно-практической конференции (Самара, 1993г.),Международной научно-технической конференции (Омск, 1995г.);межвузовской научно-технической конференции с международным участием (Самара, 1996г);РГОТУ ПС (1998г.)

Публикация. По материалам опубликовано 12 печатных работ, оформлены 3 отчета по НИР.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Наиболее важными показателями дизелей являются надежность и эффективность функционирования. Оба эти показателя формируются на стадии разработки и изготовления и реализуются в период эксплуатации. Как правило, при эксплуатации происходят необратимые изменения в конструкции, связанные с ухудшением технического состояния ее узлов и деталей, которые приводят к постоянным и внезапным отказам.

1.1 .ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Большое значение для эксплуатации тепловозных дизелеи имеют обоснованные нормативные сроки и объемы ремонтов топливной аппаратуры Эти вопросы могут быть оптимально решены только на основе статистических и экспериментальных данных о характере и темпах нарастания в зависимости от продолжительности и условий эксплуатации преобладающих видов износа рабочих поверхностей деталей топливных систем. Выявление механизма износа и причин преждевременного разрушения сопряженных поверхностей позволяет наметить мероприятия по снижению и устранению эксплуатационных дефектов. Износ прецизионных пар при определенных значениях приводит к нарушению регулировочных характеристик работы топливной аппаратуры, а следовательно, и ухудшению мощностных и экономических показателей работы дизеля. Длительное и надежное сохранение работоспособности топливной аппаратуры - весьма важное качество для обеспечения бесперебойной эксплуатации тепловозов. Интенсивность отказов топливных систем по зарегистрированным случаям порч и неплановых ремонтов в среднем составляет 1,6—2,2 случая (при наибольших отказах до 4—7 случаев) на 1 млн

км пробега тепловоза, или 8,5—14% всех отказов по дизелю. В том числе приходится на отказы топливных насосов 38,3% случаев, форсунок—10,6 %, фильтров, топливоподкачивающих насосов и аппаратуры системы низкого давления - 11,9%, регуляторов частоты вращения и системы управления топливоподачей - 39,2%. Отказы в эксплуатации говорят о необходимости дальнейшего совершенствования в равной мере как конструкции отдельных узлов, так и системы периодичности их планово-предупредительных ремонтов, создание новых технологий ремонта.

Основные направления повышения эффективности работы элементов топливной аппаратуры дизеля в эксплуатации - это анализ и диагностика процесса горения и теплопередачи в цилиндрах дизеля

[1,3,5,7,14,17,33,34,35,38,43,78,79,95,96,105,112,116,117,122,129,131,138].3адача рассматривается с точки зрения надежности топливной аппаратуры дизеля. Подчеркивается определяющее влияние процесса горения, его правильная организация. В работах представлены различные методы определения зон с повышенной теплонапряженностью, как результат аномалий процесса горения. Эти же методы позволяют зарегистрировать наличие углеродистых отложений в форсунке дизеля.

В последнее время актуальной задачей является развитие различных методов расчета теплового состояния дизелей

[2,3,4,7,14,15,18,19,20,21,22,27,32,36,44,48,80,81,82].

В настоящем обзоре рассмотрены только те работы, которые были использованы при исследовании тепломассопереноса в условиях образования углеродистых отложений.

Приближенные аналитические методы удобны с точки зрения анализа получаемых решений и их дальнейшего использования, когда определение температурного поля конструкции является промежуточной стадией другого исследования, в котором требуется аналитическое описание поля температур (расчет скорости химических реакций, определение термических напряжений и

др.).Однако применение этих методов для исследования полей температур в дизелях на нестационарных режимах требует их дальнейшего развития.

Вопросам теоретического исследования нестационарной теплопроводности в многослойных конструкциях посвящены работы Канторовича Л.В., Беляева Н.М., Рядно A.A., Когана M.1I. и др.В этих работах рассматривается также вопрос применения координатных систем для составных тел, состоящих из трех тел и более. Но не везде учитываются условия сопряжения при рассмотрении контактных

задач[50,51,52,53,54,55,58,59,60,61,62,63,89,90,130,132].

Во всех работах дизель рассматривается как многослойная конструкция, в каналах которой учитывается наличие топлива. Таким образом, оценка теплофизического состояния дизеля должна решатся с учетом процессов , происходящих в жидкости: характер течения жидкости, вязкость жидкости, наличие пограничного слоя [3,11,24,25,73,74,75,76,97,98,99,100,101,110,111]. Решения, полученные до сих пор для системы «внешняя среда - стенка канала -поток жидкости», не учитывают аккумуляцию тепла в стенках каналов.

1.2.ОБЗОР РАБОТ В ОБЛАСТИ ПО ПРОБЛЕМЕ ОБРАЗОВАНИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

К настоящему времени объем достоверных сведений о термохимических механизмах разложения углеводородных топлив недостаточен.

Общие вопросы физико-химических основ применения углеводородных топлив рассмотрен в работах Большакова Г.Ф. [22].Приводятся фактические данные по термоокислительной стабильности топлив,характеризуемой массой образующихся осадков и смол.

Значительное количество теоретических и экспериментальных работ посвящено исследованию причин образования углеродистых отложений. Большая практическая значимость этой проблемы вызвала в последние годы

рост числа исследований и публикаций в мировой научной литературе, большое внимание уделяется этой проблеме на международных симпозиумах по горению. Широко известны работы в этой области профессора Теснера П.А. и его учеников[ 122,123,124].

В работах выделены два основных вида углеродистых отложений: мягкие углеродистые отложения и твердые.

Мягкие углеродистые отложения (или сажа) содержат 80% углерода и 2% водорода, твердые отложения содержат до 93% углерода и 2% водорода. Считается, что остальное составляют атомы кислорода и серы.

Твердые углеродистые отложения представляют собой аморфное вещество без ясно выраженной микроструктуры.

Исследования дыма, сделанные с помощью электронного микроскопа, показали наличие частиц сажи диаметром 275-350А.

В работе [142] сделан вывод о том, что твердые отложения представляют собой нефтяной кокс, образующийся из жидкого топлива, попадающего на горячую поверхность. В результате происходит жидкофазный крекинг, пиролиз, коксование. Некоторые авторы считают [143], что твердые отложения могут образовываться при протекании реакции в газовой фазе.

В работах Теснера П.А. и его коллег на основании исследований термического разложения углеводородов была разработана модель образования частиц сажи по цепному радикальному процессу.

В принципе радикальный механизм протекания цепных реакций в пламенах является установленным фактом. Однако, в настоящее время полное описание механизмов пиролиза и окисления для углеводородов отсутствует. Некоторые из углеводородных радикалов, образовавшихся в пламени, принято называть радикалами-зародышами. На сегодняшний день нет точных данных о том, что представляют собой радикалы-зародыши. Считается, что ими могут быть радикалы СЗ,С2,С2Н,а также углеводородные "скелеты" ароматических соединений, потерявших свою стабильность в результате отрыва части атомов

водорода. Стадия образования радикалов-�