автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка метода и устройств для безразборного раскоксовывания форсунок дизелей



На правах рухог.гси

Гази Рамадан Бакнр

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И УСТРОЙСТВ ДЛЯ БЕЗРАЗБОРНОГО РАСКОКСОВЫВАНИЯ ФОРСУНОК ДИЗЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 — Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1997

Работа выполнена на кафедре "Автотракторные двигатели" Московского государственного автомобильно-дорожного института (технического университета).

Научный руководитель — доктор технических наук.

профессор JI.H. Голубков

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор H.H. Патрахальцев кандидат технических наук A.C. Калашников

Ведущая организация — Научно-исследовательский

автомобильный и автомоторный институт (-НАМИ)

Защита состоится 1997 г. в ССУ часов на

заседании диссертационного совета К 053.30.09 ВАК РФ при Московском государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу:

125829, ГСП-47, Москва, А-319, Ленинградский проспект, 64,

аул

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "/3" /ЭУ<л. 1997 г.

Отзывы просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью.

Телефон для справок: 155-03-28.

Ученый секретарь диссертационного совета К.Т.Н., профессор

В.М. Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Топливная система относится к ответственным агрегатам дизеля, определяющим в значительной степени его топливную экономичность, надежность, а также выбросы токсичных составляющих отработавших газов. В наиболее трудных условиях работает форсунка, распылитель которой является частью камеры сгорания дизеля.

Одной из самых распространенных причин отказов форсунок является закоксозывание распылителей. По данным ряда исследований заметное влияние закоксовывание распылителей на показатели автотракторного дизеля оказывает через 450 — 500 часов работы. Гарантийная наработка распылителей по данным заводов-изготовителей составляет не менее 2000 часов, следовательно, периодическая очистка распылителей от коксовых отложений необходима.

Методы раскоксовывания распылителей, используемые в эксплуатации, можно разделить на три группы. Механические методы трудоемки и могут привести к повреждению распылителей. Химические методы (с помощью моюще-диспергирующих присадок и смесей) редко применяются из-за сравнительно большой стоимости. Использование водотопливных эмульсий для раскоксовывания распылителей сдерживается опасностью отслаивания воды в линии низкого давления (ЛНД) топливной системы (ТС) и возможностью замерзания воды при низкой температуре. Однако при подаче воды в линию высокого давления (ЛВД), а также в странах с высокой минимальной температурой, исключающей замерзание воды, например, в Сирии, эти препятствия устранимы.

Водотопливные эмульсии (ВТЭ) могут быть использованы, во-первых, для периодической кратковременной (до 30 мин) работы на холостом ходу для раскоксовывания распылителей форсунок дизелей и, во-вторых, для периодической и долговременной работы дизеля на рабочих режимах с целью предотвращения закоксовывания распылителей. Использование ВТЭ в дизелях позволяет также снизить выбросы сажи, окислов азота, уменьшить тепловую напряженность деталей, а в ряде случаев улучшить топливную экономичность. Таким образом, разработка методов и . устройств для использования водотопливных . эмульсий для раскоксовывания распылителей форсунок дизелей является актуальной задачей. . ' ^ ,

Цель и задача исследования. Целью данной работы является разработка метода и устройств для безразборного раскоксовывания распыли-

телгй форсунок путем подачи добавки (воды, водных растворов) в линнк высокого давления ТС. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи.

1. Провести экспериментальное исследование и сравнительный анализ устройств для приготовления ВТЭ в отдельных агрегатах с последующей подачей ее в линию низкого давления топливной системы дизеля.

2. Дополнить метод и программу гидродинамического расчета ТС с подачей добавки (воды, водных растворов) в линию'высокого давления для периодической кратковременной работы с целью раскоксовывания распылителей и провести его расчЕтно-теоретнческое исследование.

3. Разработать метод и устройство для приготовления ВТЭ в линии высокого давления ТС с целью кратковременной периодической работы дизеля на ВТЭ для раскоксовывания распылителей форсунок. Провести его безмоторные исследования и моторные испытания.

4. Разработать схемы устройств для приготовления ВТЭ в линии высокого давления для работы на основных рабочих режимах с целью устранения возможности захоксовывания и улучшения показателей рабочего процесса дизеля. Разработать математические модели этих устройств и провести их расчетно-тесретические исследования.

Методы исследования. Методологической основой работы послужили материалы исследований отечественных и зарубежных, специалистов по использованию ВТЭ для устранения коксовых отложений в распылителях форсунок и для улучшения показателей рабочего процесса дизеля. Расчета с-теоретические исследования проводились по методам и программам, разработанным с использованием современной вычислительной техники. Экспериментальные исследования проводились на универсальном стенде для исследования ТС Хартридж с использованием автоматической системы научных исследований на базе аппаратуры международного стандарта КАМАК Использовались также моторный стенд и установка для определения проходных сечений распылителей форсунок.

Научная новизна. Предложен метод безразборного раскоксовывания распылителей форсунок путем использования ВТЭ, отличающийся подачей добавки (воды или водных растворов) в линию высокого давления ТС дизеля. ''.'.'..•'

Разработана математическая модель ТС с механическим управлением подачей добавки в ЛВД на рабочих режимах дизеля (ТС с ДШ-1) и проведен ее теоретический анализ.

Разработаны метод и программа гидродинамического расчета ТС с устройством для подачи добавки в ЛВД на режимах холостого хода (ТС с ДШ-3) и проведены расчетное и экспериментальное исследования с ДШ-3, позволившие выбрать рациональное сочетание параметров предложенного устройства.

Проведено расчетно-теоретическое исследование ТС с предложенным устройством с электронным управлением подачей добавки (ТС с ДШ-4) на рабочих режимах дизеля.

Практическая ценность. Метод и устройство (ДШ-3) для подачи добавки (воды или водных растворов) в ЛВД могут быть использованы для безразборного раскоксовывания распылителей форсунок дизелей путем периодической кратковременной работы на режимах холостого, хода. Устройство отличается простотой и удобством в эксплуатации.

Показано, что для работы дизеля на рабочих режимах на ВТЭ с целью предотвращения закоксовывання распылителей форсунок и улучшения экологических показателей дизеля следует рекомендовать устройство с электронным управлением подачи добавки (ТС с ДШ-4), которое обеспечивает гибкое и достаточно точное управление объемной долей добавки в ВТЭ.

Программы, реализующие методы гидродинамического расчета ТС с подачей добавки в ЛВД позволяют с достаточной для практики точностью быстро и качественно решать задачи проектирования и доводки ТС такого типа.

Реализация работы. Результаты исследования топливных систем дизелей с подачей воды в ЛВД приняты во внимание при проведении работ по совершенствованию ТС дизелей в НАМИ. Метод и программы гидродинамического расчета ТС с подачей добавки через дозирующий штуцер в ЛВД используются в НАМИ, а также в учебной работе РУДН и МАДИ (ТУ).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 54-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (январь 1996 г.), на международном конгрессе "Экологические проблемы больших городов" (май 1996 г.), на международной научно-технической конференции "Экология автотранспортного комплекса" (декабрь 1996 г.).

Публикации. Результаты работы изложены в трех статьях, одних тезисах доклада, одном патенте РФ и двух отчетах.

з

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Сна содержит 127 страниц основного текста, 44 рисунка и 25 таблиц. Список литературы включает 111 наименований, в том числе 20 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен обзор работ, посвященных исследованию закоксовывания распылителей форсунок дизелей и методов устранения коксовых отложений, образовавшихся в распылителях. Проанализированы гипотезы механизма закоксовывания и основные факторы, влияющие на закоксовывание распылителей форсунок.

Анализ методов раскоксовывания позволил разделить их на три группы: механические, химические и путем использования водотоплнвных эмульсий. Предпочтение следует отдать химическим методам (использование моюще-дисперсиснных присадок) и методу периодической работы в течение 10 — 30 мин на ВТЭ, причем вода может быть использована с растворенными в ней моющими присадками. Образование ВТЭ в отдельных агрегатах с последующей подачей в линию низкого давления ТС может привести к расслаиванию ВТЭ, коррозии, образованию включений льда при низких температурах, а также уменьшению пропускной способности фильтров. Подача добавки (водь:) с целью раскоксовывания распылителей в лшпяо высокого давления представляется более эффективной и экономичной.

Механизм раскоксовывания распылителей при работе на ВТЭ заключается в образовании полостей отжашя струи топлива от стенок распиливающих отверстий, в которых создастся разрежение. При абсолютном даслении 0,3 — 0,4 бара и температуре ВТЭ 70 — 90°С создаются условия для проявления перегретого водяного пара. Пары воды с большой скоростью выбрасываются через распыливающие отверстия, разрушая с помощью пароструйной эрозии коксовые отложения. (

Использование ВТЭ в дизелях (в основном судовых) позволяет уменьшить тепловую напряженность деталей, существенно снизить выбросы са;:д1, окислов азота, а в случае применения тяжелых тс шли, улучшить топливную экономичность дизелей. Положительное, Елияние ВТЭ на процессы смесеобразования н сгорания объясняется микровзрывами: ускорением реакций сгорания за счет участия атомарных водорода и кислорода и гидрокснла ОН.

Недостатки современных устройств для применения ВТЭ на дизелях заключаются в том, что они основаны на приготовлении ВТЭ в отдельных агрегатах с последующей подачей в линию низкого давления ТС. Это приводит к возможности расслоения ВТЭ, выделения воды н геля с забиванием фильтров, последующей коррозией деталей ТС и возможностью образования льда при низких температурах. Недостаток современных; методов использования ВТЭ в дизелях заключается также в весьма ограниченных возможностях регулировки доли воды в ВТЭ в зависимости от режима работы дизеля. В то же время показана целесообразность изменения объемной доли воды в ВТЭ при изменении режима работы дизеля. Оптимальная доля воды в ВТЭ должна увеличиваться как с увеличением частоты вращения, так и с увеличением нагрузки.

Проанализированы также работы кафедры ДВС РУДН, посвященные исследованию подачи присадок з ЛВД топливных систем дизелей с помощью регуляторов начального давления. В соответствии с проведенным анализом работ были сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена расчета о-теоретическому исследованию ТС с подачей добавки в ЛВД. ТС с дозирующим штуцером № 1 (ДШ-1)

предназначена для подачи добавки в ЛВД на всех рабочих режимах (рис.1) как с целью предотвращения за-коксовыйания распылителей, так и с целью улучшения показателей рабочего процесса дизеля при работе на ВТЭ. При этом предусмотрена возможность регулировки добавки в зависимости от нагрузки и исключения подачи добавки на режимах холостого хода.

Плунжер 1 нагнетает топливо и поднимает золотник 2 с поршнем 3. Золотник 2, перекрывая окно 4, подает топливо к нагнетательному клапану б, а поршень 3, перекрывая ок-

Рис.1. Расчетная схема ТС с дозиру-щим штуцером ДШ-1' •

ко 5, подает к нагнетательному клапану добавку. Таким образом через нагнетательный клапан к топливопроводу и форсунке 7 поступает смешанное топливо с добавкой (ВТЭ).

ТС с ДШ-1 отличается от традиционных ТС конструкцией топливного насоса высокого давления (ТНВД). Система уравнений, описывающих процесс в насосе, состоит из уравнений объемного баланса и уравнений динамического равновесия золотника в сборе с поршнем 3 и нагнетательного клапана 6.

dp« 1 г, . 1

-=-1 JnCn — JnaC3 — qec — qo irA,

dt OnVn1

dpim 1

dt (XmVms

^Jna - fosjCj + qdK -{/к- /ki)Ck - q< -

dpds

1

[ fd£i -qd- /К\СУЛ - qdx\,

dt адУдз dp\ 1 r , -T=^fKCK+qK-fmc]>

dt ■ Мз

[рн/пв I + pn(Jtm — /пп\)5з — Fn 3— SJb — рдз[дз —;

> О)

-Dim {Jtm -fdi)],

dhs

— = a; dt

dcK = J_ dt Mk

dhn dt

Jртз (Jk — fxl) + рдф(1 — p' ii/k — Fn к— <Xc/licj;

• = Ск.

Здесь: р„ р^, р^ р \ — давления в соответствующих полостях ТНВД (рис.1); V№ Кда Via, V'» — объемы этих полостей; а^а^а— коэффициенты сжимаемости тошшза,.добав;аи (воды) H.BT3;^cra (fn>-fii}c3, /дз сз> /к ск —объемные скорости: плунжера, часта золотника, вытесняющей топливо, части золотника, вытесняющей , добавку, нагнетательного клапана; q^, qom qd„ qa qM qi — объемные расходы через: всасывающее

окно, отсечное окно, добавки через седло нагнетательного клапана, ВТЭ через нагнетательный клапан, топлива и добавки через соответствующие окна; /„,, /ю], /¿а, /к — площади, на которые действуют соответствующие давления (рис.1); РЛ1! — силы предварительной затяжки пружин золотника и клапана; 8„ 8К — жесткости пружин золотника и клапана; А* Ик — подъемы золотника к нагнетательного клапана,

ТС с дозирующими штуцерами № 2 и № 3 конструктивно близки. Рассмотрим ТС с ДШ-3, предназначенным для раскоксовывания распылителей, отличающуюся большей простотой и компактностью (рис.2).

Топливо из подкачивающего насоса 1, установленного на ТНВД 2, попадает в демпфер 3, заполненный воздухом и дизельным топливом. Вода через распределитель 5 и капельницы 6 поступает в дозирующий штуцер через плоский обратный клапан 8. Подача добавки (воды, водных растворов) производится после окончания впрыскивания топлива. При посадке нагнетательного клапана 7 с разгрузочным пояском в ДШ и в штуцере ТНВД создается разрежение, и добавка подастся под перепадом давления около 1,3 — 1,9 бар. В период нагнетания топлива клапан подачи добавки 8 закрывается, а клапан-дроссель (плоский клапан с жиклером) 9 открывается и ВТЭ идет через топливопровод 10 к форсунке. После окончания впрыскивания клапан-дроссель опускается на седло, оставляя для обратного потока ВТЭ жиклер (^ = 0,3 — 0,5 мм), что стабилизирует разрежение в ДШ и штуцере насоса, вызванное отсечкой и посадкой нагнетательного клапана. Подачи добавки регистрируют визуально по капельницам б и регулируют кранами 11. Дозирующий штуцер ДШ-3 расположен в непосредственной близости от штуцера ТНВД, и в расчетной схеме оба штуцера рассматриваются как один объем Уя (рис. 2). Давление

Рис.2. Схема ТС с ДШ-3

подачи добавки перед регулировочным краном 11 принимается постоянным p¿ = const.

Метод и программа гидродинамического расчета ТС с ДШ-3 отличаются от разработанных в МАДИ метода и программы гидродинамического расчета традиционных ТС граничными условиями у насоса. Система уравнений граничных условий у насоса "состоит из уравнений объемного баланса в объемах VH и V'H, уравнения динамического равновесия сил, действующих на нагнетательный клапан, и уравнения расчета объемной доли газовой фазы е: ^ dpn

(ZhVh6h —— = fnCn- Ob(jjf)o¡-J\p»~ рас|-

d<p y f>m

1+Ак2 ЧРm

^ри-р'н\ - (Ti/кСк - Z\\ (2.1)

-fJufufj

dqj

-qkd + qd)cn;

(2-2)

>(2)

Mon = dq>

ÍK — У' к

/' к[ри -р'н) + —--- (ря - />' н) - }крко - 3lK

1+kk2

;(2.3)

^ dhn

on-= CK,

dg¡

(2.4)

£ — ■

&2_ V'H

A

1W JV^/V*"^

qh v"

(2.5)

При р '„¿ра <7г= 1 и а 2=0, и в расчете участвует уравнение (22); при р'к<ро чру=0 и 0"'^=1, и в расчете участвует уравнение (2.5), а по вычисленной величине е определяют р 'ю используя следующие зависимости: •. . . ' , .

р 'Н=с1^2е+(13Е2 при £¿0,017,

р '„=0,4+^0,017 — Е) при 0,00124<е<0,017, (3)

Р'и= при£<0,00124.

Здесь: п, (р — частота вращения и угол поворота валика ТНВД;

([фо, Ри/щ /-— эффективные проходные сечения окон гильзы и

нагнетательного клапана; — утечки через плунжерную пару, ^ — объемные расходы через клапан подачи добавки и клапан-дроссель; рт — плотность топлива; рко — давление страгивания нагнетательного клапана.

Расчетное исследование ТС с ДШ-3 имело целью изучение особенностей рабочего процесса ТС и влияния конструктивных параметров дозирующего, штуцера с целью выбора их рациональных величин. Показано, что в период посадки нагнетательного клапана закрывается клапан-дроссель и в дозирующем штуцере и в нагнетательном штуцере ТНВД (в расчете принимаемых как один объем) образуется газовая фаза, причем абсолютное давление может снижаться до 0,4 бара. Дальнейшее снижение давления ограничивается выделением воздуха, растворенного е ВТЭ. Разрежение в ДШ может быть кратковременным (1 — 2 мс), но может удерживаться и до начала, следующего цикла; в большинстве случаев продолжительность подачи добавки составляет одну треть — две трети оборота вала ТНВД. Остаточное давление в ЛВД на тех режимах, на которых подается добавка, практически не зависит от изменения режимов и конструктивных параметров и, как правило, равно давлению подачи добавки.

. В результате параметрических исследований ТС с ДШ-3 показана необходимость уменьшения суммарного объема У'к (ДТП и штуцера ТНВД), определены рациональные размеры элементов клапана-дросселя и клапана подачи добавки. Проанализированы причины уменьшения доли добавки при увеличении нагрузки и при уменьшении частоты вращения (рис.5).

С целью совершенствования ТС с подачей добавки на всех рабочих режимах и исключения ее подачи на режимах холостого хода была предложена схема устройства с электронным управлением подачей добавки через дозирующий штуцер (ДИМ). Давление подачи добавки создается подкачивающим насосом ! (рис.3). Редукционный клапан (регулятор дав-

ления) 2 поддерживает по стоянный перепад давлений между давлением лодач! добавки и давлением вс всасывающем канале ТНВД. Добавка подаете?; через клапан подачи добавки 3, который приводится в действие электромагнитом 4. Важной частью ТС с ДШ-4 является нагнетательный клапан особой конструкции. Седло нагнетательного клапана 5 выполнено таким образом, что клапан 5 имеет возможность перемещаться, не подвергаясь воздействию пружины, в диапазоне свободного хода Ь.кс. При этом высота разгрузочного пояска !:1Г0 должна превышать ккс с тем, чтобы полости над плунжером и над нагнетательным клапаном (У'н) в период между впрысками были разделены. После впрыскивания топлива нагнетательный клапан устанавливается в положении между седлом и шайбой 6, на которую действует пружина. При этом остаточное давление в ЛВД устанавливается равным давлению подкачки во всасывающем канале ТНВД р,с. После открытия клапана подачи добавки 3 добавка под перепадом давлений [рд — р '„) поступает в штуцер ТНВД. Нагнетательный клапан при этом опускается, поддь:шивая в штуцере давление р '„, равное рвс- После закрытия клапана 3 начинается процесс нагнетания топлива плунжером: нагнетательный клапан поднимается, касается шайбы 6 и, преодолевая сопротивление пружины, открывает проход топлива из надплунжерной полости в штуцер и далее через топливопровод к форсунке 7. После окончания впрыскивания за счет достаточно большого разгрузочного объема нагнетательного хлапача остаточное давление .устанавливается равное давлению подкачу во всасывающем канале ТНВД. Таким образом подача добавки происходит при постоянном перепаде давлений (рднр'н= рвс), поддерживаемым редукционным клапаном 2, и мо-

Рис.З. Расчетная схема ТС с электронным управлением подачи добавки в ЛВД (ТС с ДШ-4)

жет с достаточной точностью управляться временем открытия клапана подачи добавки.'

Математическая модель рабочего процесса ТС с ДШ-4 основана на тех же положениях что и ТС с ДШ-1 (система уравнений 1). Особенности конструкции ТС с ДШ-4 описываются системой уравнений граничных условий у насоса.

фк 1

£# ОСтУи 1

[_/лСл — /кСк — две—до т— ^к];

Л аУ'н

с1Ск 1 „

— = —Рг,

Л Мк

г [/кСк + дк + дд- /тс];

(4)

сПы Л

■ = Ск.

Здесь — суммарная сила, действующая на нагнетательный клапан: при Их<3гхс =/х(рн-р '„), при К>ЬХС

■Мг

{рн-р')и

Г,, /х-/« /к Н--—

7 1 + £г

- /крхо - §{Ик - Икс)

Первое и второе уравнения системы (4) являются уравнениями объемного баланса в полостях над плунжером и в штуцере. Составляющие этих уравнений описаны выше (см.(1)). Третье и четвертое уравнения системы (4) описывают динамическое равновесие движущихся частей клапана, причем при ИК<^гК дзижегся только сам нагнетательный клапан с массой М„ а при ЬК>ЬКС движется клапан, шайба и одна треть массы пружины (суммарная масса М£).

Расчетное исследование ТС с ДШ-4 проводилось с целью исследования особенностей рабочего процесса и обоснования выбора основных параметров ТС. Расчеты показали, что начальное положение нагнетательного клапана, которое в соответствии с принципом работы ТС с ДШ-4 меняется при изменении режима мало влияет на процесс впрыскивания ВТЭ.

п

Основными конструктивно-регулировочными параметрами ТС с ДШ-4, которые были подобраны в результате расчетного исследования, являлись величина свободного хода нагнетательного клапана Икс и связанная с ней величина разгрузочного объема нагнетательного клапана Уко. Были обоснованы следующие величины: = 2,6 мм, = 82 мм3 фко =2,9 мм). Было показано также, что уменьшение перепада давлений, под которым подается добавка, положительно влияет на точность дозировки добавки.

Третья глава посвящена описанию объектов, методик и оборудования для экспериментальных исследований. Объектами исследований являлись ТС дизелей 44 10,5/12 (Д-144-32), 44 11/12,5 (Д-240), 4Ч 13/14 (А-41X 84 12/13 (КамАЗт7408). Из шрсТС дизеля 44 13/14 являлась объектом только моторных испытаний, ТС дизелей 44 11/12,5 и 84 12/13 объектами расчетао-теоретических и безмоторных исследований, - ТС дизеля 44 10,5/12. объектом расчетнб-теоретических исследований, безмоторных и моторных испытаний.

Описаны методики и установка для экспериментального исследования способов смешивания топлива и добавки в ЛНД а также методика и безмоторные установки для сравнительного исследования и доводки устройств подачи добавки в ЛВД.

Для осциллографирования процессов в ТС с ДШ-3 использовались автоматизированная система регистрации давления топлива в ЛВД (с помощью датчика Т-6000) и характеристики впрыскивания (с помощью датчика ЦНИТА с встроенным в него датчиком Т-200). Автоматизированная система испытаний была смонтирована на базе международного стандарта КАМАК.

В заключении третьей главы приводятся методики и оборудование для проведения моторных испытаний с целью исследования влияния добавки (воды) на закоксовывание распылителей, а также для оценки работоспособности ТС с ДШ-3 и эффективности раскоксовывания распылителей форсунок дизелей.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований. Сравнительные исследования устройств для приготовления ВТЭ с целью подачи ее в ЛВД топливной системы дизеля показало, что лучшие показатели по материалоемкости и времени приготовления ВТЭ получены с ультразвуковым жидкостным свистком (гидродинамическим ультразвуковым излучателем звука), обеспечивающим сокращение времени приготовления ВТЭ в 10 раз по сравнению с механическим смесителем.

Были обнаружены также случаи коррозии прецизионных соединений при приготовлении ВТЭ в ЛНД.

Осциллографирование процессов в ТС, дополненной устройством для подачи добавки через ДШ-З, было проведено с целью сопоставления результатов опыта и расчета, а также с целью изучения влияния подачи добавки через ДШ-З на процесс впрыскивания ВТЭ. На рис. 4 приведены

экспериментальная 1 и расчетная 2 характеристики впрыскивания ВТЭ с 5д=20% на режиме холостого хода при /7=700 мин'1. Сопоставление показывает удовлетворительное их совпадение и подтверждает правомерность допущений, сделанных при разработке метода и программы гидродинамического расчета ТС с ДШ-З. Результаты осцилло-графирования показали также, что установка дозирующего штуцера ДШ-З и работа на ВТЭ

практически не влияют на угол начала впрысшва ния. Это говорит о том, что установка ДШ и подача добавки не требуют корректировки угла опережения впрыскивания на дизеле. Продолжительность впрыскивания увеличивается, так как растет цикловая подача за счет подачи добавки (дополнительно).

Максимальное давление в датчике, расположенном в топливопроводе у форсунки при установке ДШ и подаче добавки, меняется как в сторону увеличения (номинальный режим), так и в сторону уменьшения (остальные .три режима: режим максимального крутящего момента, режимы холостого хода при гх=700 мин"1, /7=975 мин*1). Это объясняется тем, что при установке ДШ и изменении св'ойств топЛива при добавке воды на волновые явления в топливопроводе влияют различные и противоположно действующие факторы: 1) увеличивается скорость распространения волны

им_

граб 8

1

/ -2

// а ц

г

0 1 2 3 4 %грод

Рис. 4. Сопоставление результатов опыта -1 и расчета - 2 ТС с ДШ-З: л=700 мин"1, Уч = 26 мм3, 5Д= 20% -

давления и уменьшается связанный с ней коэффициент сжимаемости, 2) увеличиваются объем системы и путь, проходимый импульсом давления вследствие установки ДШ, 3) изменяются услозия отражения обратных волн у ТНВД в результате действия клапана-дросселя. ч

Межцикловая нестабильность по анализируемым трем параметрам (угол опережения впрыскивания топлива, давление у форсунки, продолжительность впрыскивания) удовлетворительна, особенно на режимах рас-коксовывания (режимах холостого хода), причем установка ДТП и подача добавки в ряде случаев уменьшают межцшсловую нестабильность этих величин. Это объясняется тем, что подача добавки действует по принципу регулятора начального давления, т.е. стабилизирует начальное давление и, следовательно, анализируемые три параметра. С другой стороны неизбежная межцикловая нестабильность доли добавки, влияя на свойства водо-топливной эмульсии в ЛВД, увеличивает межцикловую нестабильность процесса впрыскивания.

Результаты исследования мелкости распыливания капель воды в топливе, подаваемом форсункой через щелевой стробоскоп, показали, что ТС с ДШ-3 обеспечивает мелкость распыливания в диапазоне до 6 мкм.

Следующий этап экспериментальных исследований имел целью доводки устройства для периодической кратковременной (25—30 мин) работы дизеля на ВТЭ с целью раскоксовывания распылителей форсунок. В частности, было показано, что использование плоских клапанов в ДШ позволяет уменьшить объем ДШ-3, и это дает возможность при использовании ДШ-3, не снимая нагнетательный штуцер ТНВД (как это приходится делать в случае применения ДШ-2), устанавливать ДШ-3 дополнительно. Это обстоятельство существенно упрощает устройство и технологию использования ДШ.

Выбор диаметра жиклера в клапане-дросселе ДШ-3 определялся исключением подвпрыскивания ВТЭ при слишком маленьком диаметре жиклера и необеспечением разрежения в объемах нагнетательного штуцера и ДШ при слишком большом диаметре жиклера клапана-дросселя. По полученным результатам был сделан вывод о целесообразноста использования диаметра жиклера в клапане-дросселе £^=0,4 — 0,5 мм.

Результаты исследования влияния давления подачи добавки при различных проходных сечениях: распылителя позволили сделать вывод о том, что влияние изменения давления подачи добавки на объемную долю добавки наблюдалось в диапазоне до 1 — 2 бара. Это говорит о том, что целесообразно установить давление подачи добавки в диапазоне 1 — 2 ба-

ра и с помощью дросселя 11 (рис.2) регулировать подачу добавки. Таким образом было обосновано использование давления подкачивающего насо-

Результаты исследования влияния режима работы дизеля на объемную долю добавки при использовании ТС с ДШ-3 показывают, что раскоксовыва-ние целесообразно производить на режимах холостого хода при л>700 мин"1 по кулачковому валу ТНВД (рис.5). Результаты показывают также, что ТС с ДШ-3 не пригодна для работы в полном диапазоне рабочих режимов. Для этих целей 300 500 700 900 Л,««/» целесообразно использо-Рис. 5. Многопараметровая харакге- вание ТС с электронным ристика объемной доли добавки: управлением подачи добав-

" \-Уцт внешней скоростной хараетери- 'ки (ТС с ДШ-4).

стики, 2- ¥цт характеристики холостого Для исследования

хода • влияния подачи добавки

(воды) на закоксовывание распылителей форсунок были использованы экспериментальные данные, полученные В.П.Василевским при исследовании дизеля 4413/14 (А-41). Результаты были обработаны с целью определения рациональной дозы добавки (воды) в ВТЭ при испытании по четырехчасовому ускоренному циклу, предложенному Трусовым В.И., Василевским В.П. и др. (А.С. № 4045042). Результата обработки приведены в табл.1.

Таким образом результаты исследования влияния объемной доли воды в ВТЭ на закоксовывание распылителей подтвердили рекомендации ГОСНЕГИ и ЛСХИ о рекомендуемой доле воды в ВТЭ (10 — 20%).

Моторные испытания дизеля 44 10,5/12 (Д-144-32) с ТС с ДШ-3 приведены в табл.2.

са ТС для подачи добавки (рис.2).

Таблица 1

Номер распылителя Объемная доля воды в ВТЭ (8д)

10% | 20% 30% 40%

Степень закоксовывания

1 46% 8,8% 5,0% 3,8%

2 42% 3,5% 3,0% 3,2%

3 38% 2,0% 3,0% 3,2%

4 28% 0,5% 0,5% 2,0%

Средняя степень закоксо-вывания (К„) 38,5% 3,7% 3,2% 3,7%

Здесь[1 - (р/)ф2 / (///")ф1]100%, где и (н/>ф2 — эффек-

тивные проходные сечения распылителя до и после раскоксовывания.

Таблица 2

№ рас- (^3 Примеча-

пылителя До закок- После за- к2, После рас- К;, ние

совывания, коксовыва % коксовыва %

ни1 них, им2 них, им2

1 0,16В 0,099 41,1" 0,166 1,2

2 0,183 0,147 19,7 0,179 2,2

3 ^ 0.175 0,046 73,7 0,171 2Л -

4 0,191 0,151 21,0 0,189 1,0

5 0,176 . 0,052 29,5 0,176 0

6 0,184 0,140 23,9 0,183 0,5

Средн. 0,179 0,106; 34,8 0,177 1,18 -

Результаты моторных испытаний, приведенные в табл.2, подтвердили полученные ранее рекомендации по времени раскоксовывания при ра-

боте дизелей на ВТЭ на режимах холостого хода ( п= 1800 мин"1): 25-30 мин. Результаты показали преимущества устройства ДТТТ-3 для кратковременной работы на ВТЭ и его работоспособность. Преимущества устройства перед предложенными ранее заключаются в простоте, удобстве использования, меньшем времени на проведение раскоксозывания (исключается время на предварительную, подготовку ВТЭ) и исключении попадания воды в плунжерные пары ТНВД, фильтры и другие элементы ЛНД.

ВЫВОДЫ

1. Метод безразборного раскоксовывания распылителей форсунок путем подачи добавки (воды или водных растворов) в. линию высокого давления ТС дизеля имеет преимущества перед известным методом приготовления ВТЭ в специальных установках и подачи ее в линию низкого давления ТС дизеля. Преимущества заключаются в исключении попадания воды в прецизионные соединения топливного насоса высокого давления и фильтры, упрощении и снижении материалоемкости устройств для приготовления ВТЭ, а таюхе в уменьшении времени, затрачиваемого на раскок-совывание распылителей.

2. Сравнительный; анализ и исследование устройств для приготовле-• ния ВТЭ с целью подачи ее в линию низкого давления ТС дизеля показали, что лучшие показатели по материалоемкости и времени приготовления ВТЭ получены с устройством типа "гидродинамический ультразвуковой излучатель звука", обеспечивающим выигрыш во времени приготовления ВТЭ в 10 раз по сравнению с механическим смесителем.

3. Предложена математическая модель рабочего процесса ТС с механическим управлением подачей топлива и добавки в линию высокого давления через дозирующий штуцер (ДШ-1). Математическая модель позволяет оценить влияние конструктивно-регулировочных параметров ТС на объемную долю добавки в ВТЭ. Экспериментальные замеры.процентного содержания воды в ВТЭ и проведенный анализ математической модели ТС с ДШ-1 показали, что требуембе изменение объемной доли добавки в ВТЭ на всех рабочих режимах обеспечивается с недостаточной точностью.

4. Расчетно-теоретическое исследование предложенного устройства с электронным управлением подачей добавки' через дозирующий штуцер (ДШ-4) было проведено с использованием разработанных метода и программы гидродинамического расчета ТС. Показано, что ТС с ДШ-4 позво-

ляет в широких пределах и с достаточной точностью регулировать объемную долю добавки в ВТЭ в зависимости от режима работы дизеля, что может обеспечить не только устранение закоксовывания распылителей форсунок, но и позволит снизить выбросы сажи и окислов азота, а в отдельных случаях и улучшить топливную экономичность дизеля.

5. Разработано и исследовано устройство для периодической кратковременной (25 — 30 мин) работы дизеля на ВТЭ с подачей добавки в линию высокого давления ТС (ДШ-3). Устройство отличается простотой и удобством в эксплуатации. Стендовые безмоторные испытания и расчета о-теоретические исследования показали, что устройство обеспечивает стабильную подачу добавки на режимах средних и максимальных оборотов холостого хода дизеля Д-144 (44 10,5/12), а также обеспечивает достаточно высокую дисперсность капель воды в топливе.

6. Разработанные метод и программа гидродинамического расчета ТС с устройством для раскоксовывания распылителей форсунок дизелей (ТС с ДШ-3) позволяют с достаточной точностью моделировать особенности рабочего процесса и с малыми затратами машинного времени решать задачи доводки ТС. Сопоставление результатов опыта и расчета показало их удовлетворительное совпадение.

7. Моторные испытания подтвердили как работоспособность устройства ДШ-3, обеспечивающего стабильную работу дизеля на ВТЭ на средних и максимальных оборотах холостого хода, так и полученные ранее другими исследователями рекомендации по времени раскоксовывания при работе на указанных выше режимах (25 — 30 мин) и по требуемой объемной доле воды в ВТЭ (10 — 20%).

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Голубков Л.Н., Василевский В.П., Гази Рамадан Бакир. Метод и устройства для безразборного раскоксовывания распылителей-форсунок дизелей // Вопросы проектирования и эксплуатации автотранспортных средств и систем: Известия Тул.ГУ, Тула, 1995. С.84-93.

2. Голубков Л.Н., Гази Рамадан Бакир. Влияние добавки воды к дизельному топливу на устранение нагарообразований в форсунках дизелей // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Экология автотранспортного комплекса". М., 1996. С.76-79. ' ^

3. Патент РФ (положительное решение на изобретение № 95102055/06 от 27.01.1997 г.). Устройство для раскоксовывания распылителей форсунок. Голубков JI.H., Полосин Ю.П., Гази Рамадан Бакир.

4. Голубков JI.H., Гази Рамадан Бакир. Методы приготовления водо-топливных эмульсий в топливной системе дизеля с целью улучшения его экологических показателей // Сб.научн.тр. МАДИ. 1997. (в печати).

5. Gazi R. Bakir. Marine Internal Combution Diesel Engine. Cleaning Injection Nozzles Without Removing Parts // Kuwait Society of Engineers (Engineering), Oct. 1996, No.54. p.31 (на арабском языке).