автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Разработка усовершенствованной технологии ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание

На правах рукописи

'«Г-Н ГГЛ 2 ^ ¡.---

Козырев Дмитрий Михайлович

РАЗРАБОТКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ФОРСУНОК ДИЗЕЛЕЙ НА ЗАКОКСОВЫВАНИЕ

Специальность: 05.20. 03. - эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург-Пушкин 1998 г.

Работа выполнена в Тверской государственной сельскохозяйственной академии

Научные руководители: кандидат технических наук, профессор

ВТ. Смирнов | кандидат технических наук, доцент Ю.А. Кокорев.

Официальные оппоненты: засл. деятель науки и техники РФ, доктор

технических наук, профессор

A.B. Николаенко кандидат технических наук

B.Н. Хватов

Ведущее предприятие: учебно-научный внедренческий

- производственно-консультативный центр «ТверьАгро »

Защита состоится «22 » декабря 1998 г. в 14 час. 30 мин. на заседании специализированного совета К 120. 37. 05. по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 189620, Санкт-Петербург-Пушкин, Академический пр., д. 23, ауд. 719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

.Т. Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время перед агропромышленным комплексом (АПК) страны стоит ряд проблем. Заводы, выпускающие базовые модели тракторов, применяемые в АПК, такие как Минский, Харьковский, Павлодарский и другие поставляют свою продукцию на основе межгосударственных договорных соглашений стран СНГ. Существенно снижается качество и количество выпускаемых тракторов сельскохозяйственного назначения в России. Ремонтно-техническая база сельскохозяйственных предприятий остается на низком уровне. В месте с тем, в настоящее время с нарастающей остротой начинают проявляться негативные факторы воздействия вредных продуктов отработавших газов (ОГ) дизелей на человека, живой и растительный мир. Наиболее опасным компонентом ОГ, по мнению большинства исследователей, с учетом индекса токсичности, является дизельная сажа, определяющая показатель дымности ОГ.

В настоящее время основной энергетической установкой мобильных сельскохозяйственных агрегатов остается дизель. Одним из путей решения проблем сельскохозяйственного производства является улучшение экологических, топливно-экономических и ресурсных показателей дизелей. В условиях эксплуатации мощносгные, топливно-зкономические и экологические показатели дизелей зависят от технического состояния топливной аппаратуры (ТА), цилиндропоршиевой группы (ЦПГ), систем воздухоснабжения и других систем дизеля. Наибольшее влияние на экономичность и выбросы вредных веществ с ОГ оказывает техническое состояние ТА.

Наиболее слабым звеном в системе топливоподачи, определяющим процесс смесеобразования в цилиндрах дизеля, является распылитель форсунки, и основным и наименее изученным отказом распылителей форсунок в эксплуатации, является закоксовывание распиливающих отверстий. До настоящего времени процесс закоксовывания РФ до конца не щучен и является основным препятствием при форсировании дизелей по среднему эффективному давлению. Развитие современной техники характеризуется дальнейшим повышением среднего эффективного давления, что существенно интенсифицирует процесс закоксовывания распиливающих отверстий распылителей форсунок.

Известные методы ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовырание не в полной мере обеспечивают комплексную оценку конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на процесс закоксовывания распиливающих отверстий. Поэтому, необходима разработка надежной технологии ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей нц закоксовывание, максимально приближенной к условиям эксплуатации, которая позволила_бы. дать достоверную комплексную оценку влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на процесс закоксовывания распыливающих "отверстий. В связи с этим, разработка усовершенствованной технологии ускоренных испытаний распылите-

лей форсунок дизелей на закоксовывание, максимально приближенной к условиям эксплуатации, является актуальной задачей.

Цель исследования Разработка усовершенствованной технологии ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание в условиях нормального протекания рабочего цикла дизеля.

Объектом исследования является дизельный двигатель с турбонадцу-вом 6ЧН 11,5/13 (СМД-62) ПО « Харьковский тракторный завод ».

Научной новизной работы являются следующие положения, которые выносятся на защиту:

• математическая модель и методика расчета условий закохсовывания рас-пыливающих отверстий распылителей форсунок дизелей;

• рациональные регулировочные и режимные параметры работы дизеля для ускоренного закоксовывания распылителей форсунок;

• способ повышения температуры корпуса распылителя, обеспечивающий изменение температуры корпуса распылителя без изменения параметров газовой среды в цилиндрах дизеля;

• экспериментально обоснованные температура корпуса распылителя и необходимая продолжительность ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание;

• усовершенствованная технология ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание;

• результаты исследований влияния параметров системы питания дизеля и эксплуатационных факторов на интенсивность закоксовывания распылителей форсунок;

• результаты исследований влияния параметров системы питания дизеля на дымность отработавших газов.

Практическая ценность Создан макетный образец стенда на базе дизеля 6ЧН 11,5/13 (СМД-62) для проведения ускоренных испытаний распылителей форсунок на закоксовывание в условиях нормального протекания рабочего цикла дизеля. Разработана усовершенствованная технология ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований используются в дальнейшей НИР аспирантов и докторантов кафедры "Тракторы и автомобили", а также приняты учебно-научным внедренческим производственно-консультативным центром «ТверьАгро» с целью разработки стенда для проведения ускоренных испытаний распылителей форсунок на закоксовывание по разработанной технологии.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на постоянно-действующих научно-технических семинарах стран СНГ в С-ПГАУ в 1996-1998 гг., научно-практических конференциях Тверской ГСХАв 1995-1998 гг.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, общих выводов, списка литературы из 123 наименований (из них 3 зарубежных) и приложений, включает 147 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 44 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обосновывается актуальность темы и излагаются положения, которые выносятся на защиту.

В первом разделе дан анализ условий работы и основных причин отказов распылителей форсунок тракторных дизелей в условиях эксплуатации. Установлено, что основным и наименее изученным отказом распылителе форсунок в эксплуатации является закоксовывание распиливающих отверстий. За-коксовывание распиливающих отверстий распылителей проявляется в уменьшении эффективного проходного сечения распылителей, что приводит к снижению эффективной мощности дизеля, увеличению удельного эффективного расхода топлива, а также к нарушению параметров топливоподачи. Однако, влияние закоксованности РФ на экологические показатели дизелей количественными методами оценки не проводилось. По мнению большинства авторов наиболее опасным компонентом отработавших газов (ОГ) дизелей является сажа, которая играет активную роль в возникновении онкологических заболеваний. Это лишний раз доказывает, что необходимо проведение дополнительных исследований по влиянию степени закоксованности РФ на экологические показатели дизелей. Дан анализ факторов, влияющих на процесс закоксовывапия распылителей форсунок. Установлено, что основными факторами, влияющими на процесс закоксовывапия РФ, является температура цилиндровых газов и температура корпуса распылителя, проявляющаяся в нагреве топлива при прохождении в его внутренних полостях в процессе впрыскивания. В свою очередь на эти основные факторы оказывают влияние двигатель, топливная аппаратура и условия эксплуатации. Проведен анализ существующих методов ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание, которые можно отнести к двум большим группам: в условиях специального рабочего цикла дизеля и в условиях нормального протекания рабочего цикла дизеля. Установлено, что известные методы ускоренных испытаний РФ дизелей на закоксовывание позволяют оценить влияние отдельных факторов, а комплексную оценку конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на данный процесс не обеспечивают. В результате анализа состояния вопроса, в соответствии с целью работы, поставлены следующие задачи исследований:

1. Провести расчетно-теоретический анализ условий закоксовывания распыливающих отверстий распылителей форсунок дизелей.

2. Разработать общую и частные методики экспериментальных исследований.

3. Экспериментально обосновать рациональные регулировочные и режимные параметры работы дизеля для обеспечения ускоренного за-коксовывания РФ.

. 4. Разработать способ повышения температуры корпуса распылителя, обеспечивающий изменение температуры корпуса распылителя без изменения параметров газовой среды в цилиндрах дизеля.

5. Экспериментально обосновать температуру корпуса распылителя и необходимую продолжительность ускоренных испытаний РФ дизелей на закоксовывание. Сравнить результаты экспериментальных исследований с результатами теоретических исследований.

6. Разработать макетный образец стенда для проведения усовершенствованной технологии ускоренных испытаний РФ дизелей на закоксовывание

7. Разработать усовершенствованную технологию ускоренных испытаний РФ дизелей на закоксовывание.

8. Оценить влияние параметров системы питания дизеля и эксплуатационных факторов на интенсивность процесса закоксовывания РФ.

9. Оценить влияние параметров системы питания дизеля на дымность отработавших газов.

10. Дать рекомендации по улучшению эксплуатации ДТА с точки зрения снижения интенсивности закоксовывания распыливающих отверстий РФ.

11. Провести производственную проверку и оценить экономическую эффективность применения усовершенствованной технологии ускоренных испытаний РФ дизелей на закоксовывание.

Во втором разделе приведена методика, математическая модель и результаты расчета параметров рабочего цикла и температуры пленки топлива на стенках распыливающих отверстий распылителей форсунок. В основу теоретических исследований положена физическая модель процесса закоксовывания РФ, сущность которой заключается в следующем: предполагаем, что в процессе впрыскивания нагрев топлива происходит последовательно от двух тепловых источников - корпуса распылителя и цилиндровых газов. После окончания впрыскивания происходит инерционный Еыброс топлива из подъ-игольного пространства распылителя, а на стенках распыливающих отверстий остается пленка топлива в виде полого цилиндра. Часть топлива в виде легких и средних фракций испаряется и сгорает, а более тяжелые фракции подвергаются дальнейшему нагреву газами, прорывающимися в подигольное пространство распылителя с большой скоростью в момент окончания процесса впрыскивания топлива. В дальнейшем газы, заполнившие подигольную полость распылителя, препятствуют дальнейшему проникновению более горячих цилиндровых газов, снижая их тепловое влияние на оставшуюся пленку топлива. Новым в методике расчета, применительно к решению данной задачи, является то, что впервые рассмотрен сложный механизм теплообмена между пленкой топлива, корпусом распылителя и цилиндровыми газами с

учетом характеристики впрыскивания топлива. Для определения температуры пленки топлива на стенках РО используем дифференциальное уравнение теплопроводности, которое устанавливает зависимость между температурой, временем и координатами тела для тела, размеры которого очень велики по сравнению с интересующими нас участками, считая его неограниченным.

1

4сп

*d£drjd(p (1)

Переходя к решению конкретной задачи, задаемся следующими краевыми условиями:

- расчет температуры пленки топлива на стенках РО ведем в процессе впрыскивания и на линии расширения;

- считаем, что пленка топлива на стенках РО представляет собой неограниченный полый цилиндр (рис.1);

- температура внешней и внутренней поверхности цилиндра принимаем постоянной на протяжении всего времени нагрева (охлаждения);

- начальную температуру пленки топлива пригашаем равной температуре топлива на выходе из распылителя.

Краевые условия запишутся в следующем виде:

т(о,т)=/(И) (2)

T(R,Rl) =Т2 = const (3)

T{Ro,R\)=T\ = const (4)

T1 = const

Рис.1. Расчетная схема определения температуры пленки топлива на стенках распыливаюших отверстий.

К - радиус внешней поверхности цилиндра, равный радиусу распиливающего

отверстия распылителя РД- 4 .0,34, м.

11о - радиус внутренней поверхности цилиндра, м.

Т1 - температура цилиндровых газов на линии расширения при нагреве пленки топлива (К), или температура топлива (Тт) на выходе из распылителя, охлаждающая пленку топлива на стенках распиливающих отверстий при дополнительных впрысках, (К). Т2 - температура корпуса распылителя, К

Ш - радиус расположения точки, в которой проведен расчет температуры пленки топлива, м.

Для определения температуры пленки топлива на стенках РО в любой точке и в любой момент времени решаем уравнение (1) для неограниченного полого цилиндра:

т{т,г)=—(т\1п—+п—)+пУ

К ' 1пт\ Ж Яо) £

J¿p)■^*n¡)*Vд^ ]

J(ipl)+J(iprl*m)

Я) I 2 „\

То-

J({|Ml)-J(^ptn*m)

(5)

где 1о и Уо - разновидности функции Бесселя; JJ.I1 - корни характеристического уравнения: Joip.ii) * Уо(]Лп *т)- Уо{р.п)* .1о(]Лп * т) - О

(6)

ш - отношение радиусов внешней и внутренней поверхности цилиндра, при-шшаем т = 1,06;

Ро - число Фурье, определяется по отношению к внешнему радиусу цилиндра

О * X

(К) из выражения: Го = —г- (7)

Я

где а - коэффициент температуропроводности топлива, м2/с; а=0,125м2/с; т - время, в течение которого происходит теплопередача, с.

Для определения функции Бесселя (Уо) используем выражение: Уо{кп Кп * т)* Уо{кп * Но)- ,}о{кп * Яо) * Уо(кп * т) (8)

где Кп

_Цп,

- характеристическое число.

Расчет температуры пленки топлива на стенках распыливающих отверстий распылителя проведен на следующих режимах работы дизеля: максимальная частота вращения холостого хода (п = 2280 мин "'), максимальная

мощность NeH0M (n = 2100 мин"'), максимальный крутящий момент Мктах (п = 1600 мин"'), а также на промежуточных режимах по внешней скоростной характеристике (п = 2000 мин "') и (п = 2150 Mini"'). Температура корпуса распылителя в расчетах соответствовала температуре при штатном установочном узле корпуса форсунки. Для режимов максимального крутящего момента Мктах (п = 1600 мин"') и максимальной мощности Ne„0M (п = 2100 мин "') температура корпуса распылителя в расчетах изменялась в пределах от 250 °С до 300 °С. Для определения температуры цилиндровых газов (Т1) за каждый градус поворота коленчатого вала проведен расчет параметров цикла дизеля на выше указанных режимах работы дизеля. Для определения начальной температуры пленки топлива на стенках распыливающих отверстий (То), автором проведены безмоторные экспериментальные исследования по определению влияния температуры корпуса распылителя на температуру топлива, выходящего из него, а также влияние скоростного режима работы ТНВД на характеристику впрыскивания топлива форсункой, с целью определения времени (т), в течение которого происходит теплопередача. Результаты безмоторных экспериментальных исследований по оценке влияния температуры корпуса распылителя на температуру топлива, выходящего из него при частоте вращения кулачкового вала ТНВД 800...1140 мин представлены на рис.2. Для определения температура пленки топлива на стенках распыливающих отверстий, с учетом характеристики впрыскивания, использовались результаты исследований, проведешшх в ЦНИТА на дизеле 44 11/12,5 (Д-50). Результаты изменения температуры пленки топлива на стенках распыливающих отверстий с учетом характеристики впрыскивания представлены на рис.3. По аналогии с образованием лаковых пленок определена температурная зона физико-химических превращений в пленке топлива, в результате которых на стенках распыливающих отверстий распылителя образуется кокс. Кокс начинает образовываться при температуре пленки топлива равной 700 К. При температуре пленки топлива 1100 К скорость образования кокса принимает максимальное значение, а при температуре пленки топлива 1300 К, образование кокса прекращается (рис.3). Таким образом, количество образовавшегося кокса на стенках распыливающих отверстий распылителя зависит от температуры нагрева пленки топлива и времени пребывания пленки топлива при данной температуре:

К'з^ктз*х' (9)

где: К'з - коэффициент закоксованности;

ктз - коэффициент закоксованности, зависящий от температуры пленки топлива на стенках распыливающих отверстий распылителя;

г' - время пребывания пленки топлива на стенках распыливающих отверстий в температурной зоне, с. Принимаем ктз =1 при температуре пленки топлива 1100 К, то есть, при данной температуре пленки топлива процесс образования кокса на стенках распыливающих отверстий идет с наи-

большей скоростью. Принимаем коэффициент закоксовашюсти, зависящий от температуры нагрева пленки топлива на стенках распиливающих отверстий распылителя (ктз), равный нулю {ктз-0) при температуре пленки топлива 700 К и 1300 К, то есть при данных температурах пленки топлива образования кокса на стенках распыливающих отверстий не происходит.

Рис.2. Изменение температуры топлива (1,) от температуры корпуса распылителя (1р) при работе ТНВД по регуляторной характеристике. 1- температура топлива при 1р=250 °С; 2- температура топлива при 1Р =^280°С; 3- температура топлива при 1Р=300 °С.

Для определения количества образовавшегося кокса на стенках распыливающих отверстий за цикл использовалась зависимость:

со

К'зл, = ^ктз.1*тл (10)

¿=1

где: К'-j.il - коэффициент закоксовашюсти распыливающих отверстий распылителя за цикл работы дизеля;

( - порядковый номер температурного воздействия на пленку топлива, находящуюся на стенках распыливающих отверстий распылителя, приводящего к образованию кокса.

--- -

05

4 ■ 1/00

*1)1Ю

0.5 ж

бос

__О. —7СП

Мг

ч^бОО

500

ЧОО

Рис.3. Изменение температуры пленки топлива на стенках распыли распиливающих отверстий распылителя, с учетом характеристики впрыскивания, при работе дизеля 44 11/12,5 (Д-50) на номинальном режиме (п= 1800 мин"').

Для определения коэффициента закоксованности распыливающих отверстий распылителя за час работы дизеля (К'з.час) использовалось выражение:

к'з.час = 30 *п*К'з.11 (11)

где: К'з.час- коэффициент закоксованности распыливающих отверстий распылителя за час работы дизеля;

п - частота вращения коленчатого вала дизеля, мин *При определении времени пребывания пленки топлива в температурной зоне (с), использовалось выражение:

Т' = ~Г~~ (12)

6 *п к '

где: <р - продолжительность пребывания пленки топлива в температурной зоне, ...

п - частота вращения коленчатого вала дизеля, мин"

Используя температурную зону интенсивного образования кокса на стенках распыливающих отверстий для дизеля 44 11/12,5 (Д-50) (от 700 К до 1300 К) и зависимости (9 - 12), определены коэффициенты закоксованности распыливающих отверстий за цикл (7<"з.у) и за час {К'з.час) работы дизеля

6ЧН 11,5/13 (СМД-62) на исследуемых режимах:: максимальная частота вращения холостого хода (п = 2280 мин"'), максимальная мощность Кеном (п -2100 мин"'), максимальный крутящий момент Мкщах (п = 1600 мин"'), а также на промежуточных режимах по внешней скоростной характеристике (п = 2000 мин"') и (п = 2150 мин"').

Расчетно-теоретический анализ температурного состояния пленки топлива на стенках распиливающих отверстий позволил сделать вывод о том, что при работе дизеля на режиме максимального крутящего момента и температуре корпуса распылителя 280 °С значения коэффициентов закоксованно-сти за цикл (К'зц ) и за час (К'з.час ) в 3,47 раза больше, чем при работе дизеля на режиме номинальной мощности. Полученные параметры рабочего цикла и температура испытываемого корпуса распылителя рекомендуются для организации ускоренных испытаний распылителей форсунок на закоксовыва-ние в условиях нормального протекания рабочего цикла дизеля. В третьем разделе приведены общая и частные методики экспериментальных исследований, дано описание экспериментальной установки, применяемой аппаратуры, приведен расчет погрешностей измерений. Установка представляет собой комплекс, который включает дизель 6ЧН 11,5/13 (СМД-62), обка-точно-тормозной стенд КИ-5540М, контрольно-измерительные и регистрирующие приборы. Дизель оборудован штатной системой топливоподачи, которая, включает топливный бак, топливопроводы низкого и высокого давления, фильтры грубой и тонкой очистки топлива, топливный насос высокого давления НД-22/6Б н форсунки ФД-22 с испытываемыми серийными распылителями РД-4 . 0,34. На дизеле установлены опытные головки цилиндров, которые позволяют повышать температуру корпуса испытываемого распылителя без изменения параметров газовой среды в цилиндрах дизеля. Основным оценочным показателем работоспособности распылителей форсунок принято эффективное проходное сечение распылителей ц/, мм 2, определяемое до начала и после окончания испытаний. Работоспособность распылителей в связи с закоксовыванием характеризует коэффициент закоксованности Кк, который определялся из выражения:

ъ^Ф^.тк (13)

Ф

где: Кк - коэффициент закоксованности распылителей форсунок, %;

ц/о - начальное значение эффективного проходного сечения распылителей, мм 2;

///? - значение эффективного проходного сечения распылителей после ~ 2

проведения испытании, мм .

Методика предусматривает определение температурного состояния корпуса распылителя при изменении температуры охлаждающей жидкости, топлива и окружающего воздуха, определение рациональных режимных и регулировочных параметров дизеля, а также температуры корпуса распылителя для ускоренного закоксовывания распылителей форсунок. Интенсивность за-коксовывания РФ при изменении температуры корпуса распылителя предлагается оценивать скоростью процесса закоксовывания распылителей (Ск), которая определялась из выражения:

Ск = — (14)

г *1р

где: Кк - коэффициент закоксованности распылителей форсунок, %;

т - продолжительность испытаний, ч;

1Р - температура корпуса распылителя, °С.

При обосновании необходимой продолжительности ускоренных испытаний, методика исследований предусматривает обоснование величины минимальной закоксованности распылителей, оценочными параметрами которой является снижение номинальной мощности дизеля и увеличения дымно-сти отработавших газов. Дымность отработавших газов измерялась по ГОСТ 21393-75. Также, методика исследований предусматривает определение влияния параметров системы питания на дымность отработавших газов. С использованием разработанной технологии и стендом для ускоренной оценки работоспособности распылителей форсунок в связи с закоксовывани-ем, методика предусматривает оценку влияния гидроплотности плунжерных пар, избыточного давления наддувочного воздуха после турбокомпрессора и начального значения эффективного проходного сечения распылителей на интенсивность закоксовывания распылителей форсунок. При проведении испытаний производился замер частоты вращения; расходов топлива, воздуха; дымности отработавших газов; эффективной мощности; удельного расхода топлива; контролировался температурный режим работы дизеля, давления в системе смазки.

Экспериментальные исследования по разработке усовершенствованной технологии ускоренных испытаний РФ на закоксовывание проведены на дизельном топливе марки Л-0,2-40 ГОСТ 305-82 согласно ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний», при этом выполнялись требования безопасности и производственной санитарии, предусмотренные стандартами и технической документацией на дизель. В четвертом разделе представлены результаты экспериментальных исследований.

Из полученных результатов по оценке влияния температуры охлаждающей жидкости, топлива и окружающего воздуха следует, что повышение

11

температуры охлаждающей жидкости (1Ж) приводит к повышению температуры корпуса распылителя (1р). Так, в среднем для всех цилиндров, при работе дизеля на режимах максимальной частоты вращения холостого хода (п=2280 мин."1), номинальной мощности Кеном (п = 2100 мин "') и максимального крутящего момента Мк^- (п = 1600 мин "'), повышение температуры охлаждающей жидкости (1х) на 1 °С приводит к увеличению температуры корпуса распылителя (1р) соответственно на 0,4 °С, 0,88 °С и 0,87 °С. Повышение температуры топлива с 7 °С до 70 °С влечет за собой уменьшение номинальной мощности на 3,7 %, температуры ОГ на 7,5 %, температуры корпуса распылителя на 5,6 %. Часовой расход топлива и цикловая подача топлива, при повышении температуры топлива с 7 °С до 70 °С, уменьшились соответственно на 12,5 % и 11,9 %. С изменением температуры окружающего воздуха от +30 °С до -5 °С температура корпуса распылителя уменьшилась всего на 8 °С, то есть, при изменении температуры окружающего воздуха на 1 °С температура корпуса распылителя изменяется на 0,22 °С. При проведении дальнейших исследований, с целью увеличения температуры корпуса испытываемого распылителя, температура охлаждающей жидкости, топлива и окружающего воздуха поддерживались постоянными и составляли соответственно 90±5 °С, 20°Си25...30°С.

При обосновании рациональных режимных и регулировочных параметров дизеля установлено, что при работе дизеля на режиме максимального крутящего момента и угле опережения начала впрыскивания топлива 30 градусов П.К.В. до В.М.Т. коэффициент закоксованности распылителей форсунок составил 1,8 % за час работы дизеля. При этом, температура корпуса распылителя составила 246 °С. Для обоснования температуры корпуса распылителя, при которой наблюдается интенсивное закоксовывание распиливающих отверстий, разработан способ повышения температуры корпуса распылителя.

Сущность способа заключается в том, что изменится конструкция установочного узла форсунки с помощью устройства, которое включает тепловой экран, выполненный в виде сменной тонкостенной металлической втулки, расположенной между головкой цилиндров и боковой поверхностью корпуса распылителя и делящей это расстояние в соотношении 1: 4 для обеспечения максимальной температуры корпуса распылителя. Сменная тонкостенная металлическая втулка (1) расположена между поверхностью головки цилиндров (2) и боковой поверхностью корпуса распылителя (3) так, что она не соприкасается с этими поверхностями и делит этот зазор в соотношении 1: 4. При этом, втулка (1) имеет толщину стенки 0,1...0,3 мм, выполнена с косым срезом и установлена в гнезде так, что длинная сторона втулки направлена в сторону впускного клапана и выступает за плоскость головки цилиндров (2) на 4...6 мм (рис.4).

Рис.4. Схема измененного установочного узла корпуса форсунки. 1 - сменная металлическая втулка; 2 - головка цилиндров; 3 - корпус распылителя; 4 - упорный буртик.

Еще большей температуры корпуса распылителя можно достичь с помощью косого среза сменной втулки (1). При этом, со стороны выпускного клапана втулка не выступает за плоскость головки цилиндров, а длинная сторона втулки со стороны впускного клапана выступает за плоскость головки цилиндров на 4...6 мм, что не препятствует движению топливных факелов и препятствует охлаждению корпуса распылителя впускным воздухом. Установлено, что при температуре корпуса распылителя равной 274 °С наблюдаются максимальные значения коэффициента закоксованности (Кк) и скорости за-коксовывания (С к) распылителей, которые составляют 6,9 % и 0,0251 %/ч. °С. Дальнейшее повышение температуры корпуса распылителя до 300 °С, приводит к резкому снижению коэффициента закоксованности (К к ) и скорости закоксовывания (Ск) распылителей до значений 2,5 % и 0,00833 %/ч«°С (рис.5). Коэффициент корреляции коэффициента закоксованности распылителей (Кк) в зависимости от температуры корпуса распылителя теоретических и экспериментальных исследований составил 0,956, что подтверждает адекватность разработанной расчегио-теоретической модели.

По результатам исследований по обоснованию необходимой продолжительности ускоренных испытаний установлено, что при максимальной закоксованности распылителей (Кк — 22 %), за 5 часов испытаний, значение номинальной мощности снизилось на 12,4 кВт, что составило 10,2 % (рис.6). Для дизелей с турбонадцувом отказом дизеля по мощности является снижение номинальной мощности на 12,5 %.

к

7

%

£ V

5 2 -1 о

7 Л

К*^ 7 \

1 \

( У гх -с*

*/ и л / *

о о

¿Г~

30 4-Х.

ю о

а

220

МО

и

260

280

300

Рис.5. Изменение коэффициента закоксованности и скорости закоксо-вывания распылителей форсунок от температуры корпуса распылителя.

Закоксованность распылителей, соответствующая отказу дизеля по мощности, составляет 7 часов испытаний при ре = 0,98 МПа. Однако, дым-ноегь ОГ, при увеличении значения Кк до 6,9 %, достигнутым за 1 час ускоренных испытаний, увеличилась по сравнению с чистыми распылителями на 5,9 %, что превысило ПДК на 1,64 %. При максимальной закоксовашюсти распылителей за 5 часов ускоренных испытаний {Кк = 22 %), дымность ОГ возросла по сравнению с чистыми распылителями на 18,6 %, что превысило ПДК на 15,3 %. Отказ дизеля, в данном случае по дымности ОГ, наступает гораздо раньше, чем отказ по мощности при работе дизеля с распылителями форсунок с различной степенью закоксованности. Поэтому, продолжительность ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовы-вание целесообразно оценивать по увеличению дымности ОГ. Коэффициент закоксованности распылителей {Кк), при котором в ускоренных испытаниях обеспечивается увеличение дымности ОГ, превышающая ПДК, составляет 6,9 % за 1 час работы дизеля, что соответствует скорости роста дымности ОГ {Си) 2,8 %/ч (рис.6).

60 %

125 кВт 115

N Ю5

¡\lffH0M %

Кк 20

о

Рис.6. Изменение значений номинальной мощности (Кте,юм), дымности ОГ (И), скорости роста дымности ОГ (Си), коэффициента закоксован-ности распылителей (К к) в целом и каждого распыливающего отверстия в отдельности (/<а>) от продолжительности работы дизеля.

Также установлено, что наиболее интенсивному закоксовывашпо подвержены распыливающие отверстия, оси которых имеют больший угол наклона относительно оси распылителя (рис.6). Так, распыливающие отверстие № 2 за 5 часов работы дизеля закоксовалось до 32,5 % (угол наклона распыливающего отверстия относительно оси распылителя 52 Распиливающее отверстие № 1 (угол наклона распыливающего отверстия относительно оси распылителя 52 °) закоксовалось до 28,3 %, в то время как, распыливающие отверстия № 3 и № 4, имеющие угол наклона распыливающих отверстий относительно оси распылителя 31 закоксовались соответственно до значений 13,8% и 12,6 %. При этом, коэффициент закоксованиости распылителя < /Л) 1! целом составил 22 % за 5 часов работы дизеля.

По результатам проведенных экспериментальных исследований разработана усовершенствованная технология и макетный образец стенда для проведения ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание. В работе приведены технические характеристики разработанного макетного образца стенда, технология работы на стенде.

В пятом разделе представлены результаты исследований, подтверждающие возможность применения усовершенствованной технологии ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание.

В связи с применением в топливных насосах высокого давления плунжерных пар с различной гидроплотностью, проведена экспериментальная оценка влияния гидроплотности плунжерных пар на интенсивность закоксо-вывания распылителей форсунок. Установлено, что с увеличением гидроплотности плунжерных пар с 11 до 19 секунд, вследствие уменьшения утечек топлива в зазоре ачунжер-втулка, значения коэффициента закоксованностн распылителей (К к) и скорости роста дымности ОГ (Сл) увеличились соответственно с 5,8 % и 0,9 %/ч до 7,1 % и 3,7 %/ч.

Исследованиями установлено, что при уменьшении давления наддувочного воздуха после турбокомпрессора с 60 кПа до 40 кПа, температура корпуса распылителя увеличилась с 270 °С до 280 °С, что связано с нарушением протекания нормального рабочего цикла дизеля. При этом, значение коэффициента закоксованностн распылителей (Кк) снизилось с 6,9 % до 6 %, а скорости роста дымности ОГ (Слг) с 2,8 %/ч до 2,43 %/ч. Однако, в условиях рядовой эксплуатации, при работе дизеля на режиме максимального крутящего момента Мк^ (п = 1600 мин - ре = 0,98 МПа) и угле опережения начала впрыскивания топлива 30 ... ° до В.М.Т., температура корпуса распылителя составляет 246 °С. При уменьшении давления наддувочного воздуха после турбокомпрессора до 40 кПа и ниже, в случае засорения воздухоочистителя или неисправности турбокомпрессора, температура корпуса распылителя возрастет до 256...260 сС, что интенсифицирует процесс закоксовывания распылителей форсунок. Поэтому, для обеспечения работоспособности распылителей форсунок дизелей с турбонаддувом в эксплуатации, необходимо периодическое диагностирование системы очистки и подачи воздуха при проведении ТО тракторов.

В связи с тем, что у новых распылителей имеется большой разброс по эффективному проходному сечению (0,23...0,28 мм2), проведена экспериментальная проверка по оценке влияния начального значения эффективного проходного сечения распылителей на их закоксовывание. Установлено, что при уменьшении эффективного проходного сечения распылителей с 0,28 мм 2 до 0,23 мм 2, коэффициент закоксованностн распылителей (Кк) увеличился с 6,7 % до 6,95 %. При этом, скорость роста дымности ОГ Ск увеличилась в 1,73 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана усовершенствованная технология ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание. Данная технология является универсальной, поскольку позволяет проводить испытания распылителей форсунок на различных типах дизелей по единой методике в течение одного часа в условиях нормального протекания рабочего цикла дизеля. При этом оценочным параметром склонности распылителей форсунок к за-коксовыванию является дымность отработавших газов.

2. Разработаны математическая модель, методика и алгоритм расчета температуры пленки топлива на стенках распыливагощих отверстий распылителей форсунок. При этом выполненные теоретические исследования позволили установить, что на процесс закоксовывания распыливающих отверстий распылителей форсунок основное влияние оказывает температура плеики топлива, оставшаяся после окончания процесса впрыскивания топлива, а также характеристика впрыскивания топлива форсунками. Установлено, что кокс образуется в определенной температурной зоне (700-1300 К), при этом, скорость образования кокса в температурной зоне не постоянная. Максимальная скорость образования кокса на стенках распыливающих отверстий распылителя приходится на температуру пленки топлива равную 1100 К.

3. Теоретически обоснованы режим работы дизеля, соответствующий максимальному крутящему моменту Мктах(п = 1600 мин - \ рс = 0,98 МПа), и температура корпуса распылителя (1Р = 280 °С) при которых наблюдается интенсивное закоксовывание распыливающих отверстий. При этом значение коэффициентов закоксованности за цикл (К'з.т/) и за час (К'змас) работы дизеля составили соответственно 1,47 .10 ~2 ци 141,4ч"1.

4. Экспериментально определены режимные и регулировочные параметры работы дизеля для ускоренного закоксовывания распылителей форсунок. Установлено, что при работе дизеля на режиме максимального крутящего момента Мк„ш (п = 1600 мин ре = 0,98 МПа) и угле опережения начала впрыскивания топлива 30 ... ° до В.М.Т., температура корпуса распылителя (1Р) составила 246 °С, а коэффициент закоксованности распылителей составил максимальное значение (Кк= 1,8 %).

5. Разработан способ повышения температуры корпуса распылителя, для ускорения процесса закоксовывания распылителей форсунок в условиях нормального протекания рабочего цикла дизеля, основанный на изменении установочного узла корпуса форсунки. Данный способ позволяет изменять температуру корпуса распылителя в зоне распыливающих отверстий в пределах 220...310 °С при максимальном значении среднего эффективного давления (ре = 0,98 МПа).

6. Экспериментально обоснована температура корпуса распылителя 0р — 274 °С), при которой наблюдаются максимальные значения коэффициента закоксованности (Кк) и скорости закоксовывания (С к) распылителей, которые соответственно составляют 6,9 % и 0,0251 %/ч« °С. Коэффициент кор. 17

реляции теоретических и экспериментальных исследований составил 0,956, что подтверждает адекватность разработанной расчетно-теоретической модели.

7. Обоснована и установлена необходимая продолжительность ускоренных испытаний распылителей форсунок на закоксовываиие в течении одного часа (/&*= 6,7 %), при которой дымность ОГ превышает ПДК на 1,64 %, что соответствует отказу дизеля по дымности ОГ. Установлено, что распиливающие отверстия распылителей закоксовываются неравномерно. Наиболее интенсивному закоксовыванию подвержены распылнвагощие отверстия, имеющие угол наклона 52 ° относительно оси распылителя.

8. Разработан макетный образец стенда на базе дизеля 6ЧН 11,5/13 (СМД-62) для проведения ускоренных испытаний распылителей форсунок на закоксовыванис по разработанной технологии. Особенностью стенда для проведения ускоренных испытаний распылителей форсунок на закоксовываиие является то, что на дизель устанавливаются опытные головки цилиндров, с помощью которых возможно осуществлять способ повышения температуры корпуса распылителя без изменения газовой среды в цилиндрах дизеля.

9. С увеличением1 гидроплотности плунжерных пар, вследствие уменьшения утечек топлива в зазоре плунжер-втулка, увеличивается значение коэффициента закоксованности распылителей (Кк). При повышении гидроплотности плунжерных пар cil секунд до 19 секунд коэффициент закоксованности распылителей увеличился с 6 % до 7,1 %, а скорость роста дымности ОГ возросла с 0,9 %/ч до 3,7 %/ч.

10. Снижение давления наддувочного воздуха (Рнад) после турбокомпрессора с 60 кПа до 40 кПа привело к повышению температуры корпуса распылителя (tp) с 270 °С до 280 °С и к снижению коэффициента закоксованности распылителей (Кк) с 6,9 % до 6 %. В условиях рядовой эксплуатации, при работе дизеля на режиме максимального крутящего момента Мкшах (п = 1600 мин ~ рс = 0,98 МПа) и при снижении давления наддувочного воздуха (Р1Нд) после турбокомпрессора с 60 кПа до 40 кПа, температура корпуса распылителя (tp) возрастает с 246 °С до 256...260 °С, что интенсифицирует процесс закоксовывания распылителей форсунок. Для обеспечения работоспособности распылителей форсунок дизелей с турбонадцувом в эксплуатации, необходимо периодическое диагностирование системы очистки и подачи воздуха при проведении ТО тракторов. При ремонте дизелей с турбонадду-вом, давление наддувочного воздуха после ТКР необходимо рассматривать как один из выходных параметров качества ремонта.

11. Уменьшение эффективного проходного сечения распылителей (juf) с 0,280 мм 2 до 0,23 мм 2 привело к увеличению коэффициента закоксованности распылителей (Кк) с 6,7 % до 6,95 %, вследствие более качественного распыливания и распределения топлива по объему камеры сгорания. При этом, скорость роста дымности ОГ (С«) увеличилась в 1,73 раза.

12. Ожидаемый экономический эффект от применения усовершенствованной технолог™ ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание, по сравнению с нагрузочными циклами, составляет 735 рублей на одно испытание.

13. Результаты исследований используются в НИР кафедры « Тракторы и автомобили » Тверской ГСХА, а также приняты учебно-научным внедренческим производственно-консультативным центром «ТверьАгро » с целью разработки стенда для проведешгя ускоренных испытаний распылителей форсунок на закоксовывание по разработанной технологии.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кокорев Ю.А., Козырев Д.М. Методика комплексного влияния параметров цикла и характеристики впрыскивания на образовать нагара в распылителях форсунок дизеля. - Тезисы докладов XVII научно-практической конференции. - Тверь, 1994. - с. 194-195.

2. Смирнов В.Г., Кокорев Ю.А., Козырев Д.М. Влияние характеристики впрыскивания на температуру нагарообразующего материала. - Тезисы докладов XVIII научно-практической конференции. - Тверь, 1S95. - с.79-81.

3. Смирнов В.Г., Козырев Д.М. Методика и математическая модель расчета процесса образования высокотемпературных отложений в распылителях форсунок дизеля. - Тезисы докладов XIX научно-практической конференции. - Тверь, 1996. - с. 176-179.

4. Кокорев Ю.А., Козьфев Д.М. Моделирование рабочей температуры распылителей форсунок дизеля на безмоторном стенде. - Тезисы докладов XIX научно-практической конференции. - Тверь, 1996. -с.179-180.

5. Козырев Д.М. Влияние нагрузочных режимов работы дизеля СМД-62 на характеристику впрыскивания. - Тезисы докладов XIX научно-практической конференции. - Тверь, 1996. - с. 180-181.

6. Смирнов В.Г., Кокорев Ю.А., Козырев Д.М. Расчетно-теоретический анализ условий образования высокотемпературных отложений в распылителях форсунок дизелей семейства СМД. - Тезисы докладов научно-технического семинара стран СНГ. - Санкт-Петербург. 1996.

7. Кокорев Ю. А, Козырев Д.М., Андреевский С.В. К вопросу об организации ускоренных испытаний распылителей форсунок на закоксовывание. - Тезисы докладов XX научно-практической конференции. -Тверь, 1997,-с.108-109.

8. Кокорев Ю.А., Козырев Д.М., Березин A.B. Устройство для определения пропускной способности распылителей форсунок дизеля. - Тезисы докладов XX научно-практической конференции. - Тверь, 1997. -с.109-110.

9. Кокорев Ю.А., Козырев Д.М. Обоснование температуры корпуса распылителя в ускоренных исоытаниях распылителей форсунок ди-

19

зелей на закоксовывание. - Тезисы докладов научно-технического семинара стран СНГ. - Санкт-Петербург. 1997. - с. 114-115.

10. Козырев Д.М. Анализ работоспособности распылителей форсунок тракторных дизелей в эксплуатации. - Сборник научных трудов ТГСХА. -Тверь. 1997. - с. 106-110.

11. Кокорев Ю.А.., Козырев Д.М., Неробов O.K. Влияние параметров топливной аппаратуры на мощностные и экологические показатели дизеля. - Тезисы докладов XXI научно-практической конференции. -Тверь, 1998.-с.109-110.

12. Кокорев Ю.А., Козырев Д.М., Гарюгин А.И. Влияние температуры распылителя на скорость процесса закоксовывания распыливающих отверстий распылителей форсунок тракторных дизелей.- Тезисы докладов XXI научно-практической конференции. - Тверь, 1998.

с Л10-! 11.

13. Решение о выдаче патента РФ на изобретение « Устройство для термических испытаний распылителей форсунок дизелей » авторов

IO.A. Кокорева и Д.М. Козырева по заявке № 98111211/06 с приоритетом от 11.06.98 г.

к

У

чч

о!

ч

WS

ч

s

к

s

, - / - -/ ТВЕРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

КОЗЫРЕВ ДМИТРИЙ МИХАЙ

УДК 621. 436.

РАЗРАБОТКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ФОРСУНОК ДИЗЕЛЕЙ НА ЗАКОКСОВЫВАНИЕ

Специальность: 05. 20. 03. - эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

кандидат технических наук,

профессор В Г. Смирнов

кандидат технических наук, доцент Ю.А. Кокорев

Тверь - 1998

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

вмт - верхняя мертвая точка;

две - двигатель внутреннего сгорания;

ДТА - дизельная топливная аппаратура;

Кк - коэффициент закоксованности;

КПД - коэффициент полезного действия;

нмт - нижняя мертвая точка;

ог - отработавшие газы;

пдк - предельно допустимая концентрация;

РО - распиливающие отверстия;

РФ - распылители форсунок;

ТА - топливная аппаратура;

ТКР - турбокомпрессор;

тнвд - топливный насос высокого давления;

ТО - техническое обслуживание;

цпг - цилиндропоршневая группа;

м/ - эффективное проходное сечение распылителей;

ч - температура корпуса распылителя;

г - гидроплотность распылителей;

vi - гидроплотность плунжерных пар.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................7

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.......10

1.1 Анализ работоспособности распылителей форсунок тракторных

дизелей в эксплуатации.............................................................10

1.2.Влияние закоксовывания распылителей форсунок на параметры работы дизеля........................................................................13

1.3. Анализ факторов, влияющих на процесс закоксовывания распылителей форсунок дизелей.................................................17

1.4. Анализ методов ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание........................................................22

1.5. Цель и задачи исследований.......................................................25

2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЗАКОКСОВЫВАНИЯ РАСПЫЛИВАЮЩИХ ОТВЕРСТИЙ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ФОРСУНОК ДИЗЕЛЕЙ В УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЯХ........................................................................28

2.1. Математическая модель и методика расчета параметров цикла дизеля и температуры пленки топлива на стенках распыливающих отверстий распылителей форсунок..........................28

2.2. Математическая модель, алгоритм и блок-схема алгоритма расчета параметров цикла и индикаторной диаграммы дизеля 6ЧН 11,5/13 (СМД-62). Алгоритм и блок-схема алгоритма расчета температуры пленки топлива на стенках распыливающих отверстий распылителей

форсунок.................................................................................35

2.3. Результаты расчета условий закоксовывания распыливающих отверстий распылителей форсунок................................................46

2.4. Выводы..................................................................................59

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. ПРИМЕНЯЕМАЯ

АППАРАТУРА..........................................................................62

3.1. Общие положения...................................................................62

3.2. Методика определения степени закоксованности распылителей форсунок в испытаниях............................................................65

3.3. Методика исследования температурного состояния корпуса распылителя в испытаниях........................................................66

3.3.1. Методика определения температуры корпуса распылителя

в испытаниях.......................................................................66

3.3.2. Методика исследований влияния температуры охлаждающей жидкости на температуру корпуса распылителя...........................68

3.3.3. Методика исследований влияния температуры окружающего

воздуха на температуру корпуса распылителя..............................69

3.3.4. Методика исследований влияния температуры топлива на температуру корпуса распылителя............................................70

3.4. Методика обоснования режима работы дизеля в ускоренных испытаниях...........................................................................72

3.5. Методика обоснования угла опережения начала впрыскивания топлива ТНВД при организации ускоренных испытаний..................74

3.6. Методика изменения установочного узла корпуса форсунки.............75

3.7. Методика обоснования температуры корпуса распылителя при организации ускоренных испытаний...........................................77

3.8. Методика обоснования необходимой продолжительности ускоренных испытаний............................................................78

3.9. Методика исследований влияния параметров системы питания дизеля на дымность отработавших газов......................................80

3.10. Методика обоснования объема выборки испытываемых распылителей форсунок.........................................................83

3.11. Методика исследований влияния гидроплотности плунжерных пар

на склонность распылителей форсунок к закоксовыванию.............84

3.12. Методика исследований влияния давления наддувочного воздуха

после турбокомпрессора на закоксовывание распылителей форсунок...........................................................................86

3.13. Методика исследований влияния величины начального значения эффективного проходного сечения распылителей на их закоксовывание...................................................................87

3.14. Экспериментальная установка и применяемая аппаратура..............88

3.15. Обработка результатов исследований. Погрешность измерений.......91

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...........95

4.1. Результаты исследований влияния температуры охлаждающей жидкости, топлива и окружающего воздуха на температуру

корпуса распылителя..............................................................95

4.2. Результаты исследований по обоснованию режима работы

дизеля в испытаниях...............................................................99

4.3. Результаты исследований по обоснованию угла опережения

начала впрыскивания топлива в испытаниях................................102

4.4. Способ повышения температуры корпуса распылителя

в испытаниях.......................................................................105

4.5. Результаты исследований по обоснованию температуры корпуса распылителя в испытаниях.......................................................109

4.6. Результаты исследований по обоснованию необходимой продолжительности ускоренных испытаний.................................112

4.7. Результаты оценки влияния параметров системы питания

дизеля на дымность отработавших газов......................................116

4.8. Разработка макетного образца стенда для проведения ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание. Технология испытаний............................................................122

4.10. Выводы..............................................................................127

5. ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ФОРСУНОК УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИЕЙ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ФОРСУНОК ДИЗЕЛЕЙ Ч--

ЗАКОКСОВЫВ АНИЕ.............................................................129

5.1. Результаты исследований влияния гидроплотности плунжерных

пар на склонность распылителей форсунок к закоксовыванию..........129

5.2. Результаты исследований влияния давления наддувочного воздуха после турбокомпрессора на закоксовывание распылителей форсунок..........................................................133

5.3. Результаты исследований влияния начального значения эффективного проходного сечения распылителей

на их закоксовывание.............................................................137

5.4. Выводы...............................................................................140

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ФОРСУНОК ДИЗЕЛЕЙ

НА ЗАКОКСОВЫВАНИЕ..........................................................142

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...................................................................145

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................149

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................162

Введение

В настоящее время перед агропромышленным комплексом (АПК) страны стоит ряд проблем. Заводы, выпускающие базовые модели тракторов, применяемые в АПК, такие как Минский, Харьковский, Павлодарский и другие поставляют свою продукцию на основе межгосударственных договорных соглашений стран СНГ. Существенно снижается качество и количество выпускаемых тракторов сельскохозяйственного назначения в России. Ремонтно-техническая база сельскохозяйственных предприятий остается на низком уровне. В месте с тем, в настоящее время с нарастающей остротой начинают проявляться негативные факторы воздействия вредных продуктов отработавших газов (ОГ) дизелей на человека, живой и растительный мир. Наиболее опасным компонентом ОГ, по мнению большинства исследователей, с учетом индекса токсичности [57], является дизельная сажа, определяющая показатель дымности ОГ.

Основной энергетической установкой мобильных сельскохозяйственных агрегатов остается дизель. Одним из путей решения проблем сельскохозяйственного производства является улучшение экологических, топливно-экономических и ресурсных показателей дизелей. В условиях эксплуатации мощностные, топливно-экономические и экологические показатели дизелей зависят от технического состояния топливной аппаратуры (ТА), цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), систем воздухоснабжения и других систем дизеля. Наибольшее влияние на экономичность и выбросы вредных веществ с ОГ оказывает техническое состояние ТА. Исследованиями установлено, что до 75% эксплуатационных отказов дизелей приходится на топливную аппаратуру [11,33,35,34,36,69,70,93,104,89,90,117,48,107,120,55,17].

Наиболее слабым звеном в системе топливоподачи, определяющим процесс смесеобразования в цилиндрах дизеля, является распылитель форсунки (РФ). Распылители работают в весьма тяжелых условиях, с большими ударными нагрузками, интенсивным абразивным износом, при высокой тем-

пературе, в агрессивной среде и т.д. В процессе эксплуатации с увеличением наработки параметры топливной аппаратуры, в том числе и распылителя, изменяются, что, в конечном счете, приводит к ухудшению экологических, топ-ливно-экономических и мощностных показателей дизелей. По мнению большинства исследователей, основным и наименее изученным отказом распылителей форсунок в эксплуатации, является закоксовывание распыливающих отверстий (РО) [5,9,11,14,45,46,44,53,51,52,76,79-83,88,92,114,123,124,125,17].

Данный отказ является скрытым, так как его очень сложно определить в эксплуатации. До настоящего времени процесс закоксовывания РФ до конца не изучен и является основным препятствием при форсировании дизелей по среднему эффективному давлению (ре). За всю историю дизелестроения в нашей стране среднее эффективное давление (ре) у дизельных двигателей выросло в среднем в 3 раза и неуклонно продолжает увеличиваться, что существенно интенсифицирует процесс закоксовывания распыливающих отверстий распылителей форсунок.

Основной целью настоящей работы является разработка усовершенствованной технологии ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание. При этом технология предусматривает использование нормального протекания рабочего цикла дизеля.

Основные положения, выносимые на защиту следующие:

• математическая модель и методика расчета условий закоксовывания распыливающих отверстий распылителей форсунок дизелей;

• рациональные регулировочные и режимные параметры работы дизеля для ускоренного закоксовывания распылителей форсунок;

• способ повышения температуры корпуса распылителя, обеспечивающий изменение температуры корпуса распылителя без изменения параметров газовой среды в цилиндрах дизеля;

• экспериментально обоснованные температура корпуса распылителя и необходимая продолжительность ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание;

• усовершенствованная технология ускоренных испытаний распылителей форсунок дизелей на закоксовывание;

• результаты исследований влияния параметров системы питания дизеля и эксплуатационных факторов на интенсивность закоксовывания распылителей форсунок;

• результаты исследований влияния параметров системы питания дизеля на дымность отработавших газов.

Тема диссертационной работы соответствует госбюджетной теме кафедры тракторов и автомобилей Тверской ГСХА «Улучшение использования энергетических, экономических и ресурсных показателей тракторных и комбайновых двигателей » регистрационный № 01.9.10.027548., которая включена в Региональную техническую программу «Нечерноземье » на 1986-1990 годы и на период до 2000 года, подпрограмма 0,5 Р « Механизация и автоматизация производства », этап 01.01.

Работа выполнялась в Тверской ГСХА на основе хозяйственных договоров с предприятиями АПК Тверской области.

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований.

1.1 Анализ работоспособности распылителей форсунок тракторных

дизелей в эксплуатации.

Надежность дизельной топливной аппаратуры (ДТА), а также экономические и мощностные показатели дизеля в значительной степени зависит от работоспособности распылителей форсунок (РФ). Распылитель является конечным элементом в системе топливоподачи и определяет процесс смесеобразования в цилиндрах дизеля. Наиболее ответственными элементами распылителя является его проточная часть и сопловый аппарат, которые в процессе эксплуатации изменяют свои параметры.

В эксплуатации имеет место постепенное снижение работоспособности распылителей по таким параметрам, как износ сопряжения направляющая часть иглы - корпус распылителя («гидроплотность»), износ сопряжения запирающий конус иглы - седло, а также изменение пропускной способности распыливающих отверстий (РО). Данные отказы РФ в эксплуатации являются причиной постепенного ухудшения качества распыливания топлива, что приводит к ухудшению экономических и мощностных показателей рабочего процесса дизелей [6, 50, 15, 116, 94, 119, 89].

Каждый исследователь, как правило, изучает один или несколько отказов РФ в эксплуатации, что является недостаточным для определения его ресурса. В работе [6] указывается, что диапазон средней наработки распылителей РД-4 * 0,34 по «гидроплотности» составляет 1063 - 1100 часов, после чего для возобновления его годности необходим ремонт.

При возвратно-поступательном движении иглы распылителя на уплот-нительный корпус действуют ударные нагрузки, иногда в 5 раз превышающие статические [11], вызывая наклеп и износ запирающего конуса и хвостовика иглы. По результатам исследований [6]. вероятность выхода из строя распылителей с наработкой до 1200 часов по причине износа запирающих конусов корпуса и иглы не велика ( 8 ... 10 распылителей в паот- к00 п -

и не лимитирует ресурса распылителя. На износ запирающего корпуса существенно влияет недостаточная очистка топлива, наличие в нем мельчайших механических частиц, не задерживаемых фильтрами, а также наличие в топливе свободной воды, которая может вызвать местную коррозию.

В работе [50] отмечается, что суммарный износ седла распылителя и запирающего конуса дает проседание иглы в пределах 0,15...0,2 мм. При этом, качество распыливания топлива ухудшается, а нарушение плотности сопряжения приводит к подтеканию топлива до и после впрыскивания, что при работе дизеля обусловлено появлением дымного выхлопа и незначительного увеличения расхода топлива.

Исследованиями, проведенными в Тверской сельскохозяйственной академии и других организациях, установлено, что в эксплуатации имеет место полный отказ распылителей форсунок по причине обрыва соплового наконечника (2 распылителя в партии из 100 штук), а также по причине уменьшения подвижности или полного зависания иглы [6,50,15,115,120,101]. В работах И.А. Мичкина и других авторов [9-11,77-83] отмечается, что уменьшение подвижности или полное зависание иглы распылителя вызывается неустойчивостью гидродинамического истечения и тепловой напряженностью. Наиболее частое зависание иглы происходит за счет микродиформации корпуса распылителя. Микродиформации могут возникнуть в результате нарушения требований разборочно-сборочных операций. К наиболее часто встречающимся относятся: чрезмерная затяжка гайки распылителя при сборке форсунки; перенос форсунки в отверстии головки блока двигателя; зажим распылителя в отверстии головки блока [9,3]. ГОСНИТИ разработана деформационная технология износа прецизионных сопряжений, которая применена и к распылителям форсунок [9]. Согласно этой теории разборочно-сборочные операции форсунок существенно влияют на износ прецизионных деталей. Опыт эксплуатации показывает, что зазор между корпусом и иглой распылителя должен быть 3-6 мкм. При меньшем зазоре в результате деформации возможно прихватывание иглы. Даже самые небольшие деформации корпуса

распылителя при колебании зазора в пределах 0,2...4 мкм приводит к потере подвижности иглы [9]. Значительный перепад температур по длине распылителя [9] приводит к существенному изменению геометрии распылителя. Неконцентрическое распределение полей температур, относительно оси распылителя, нередко становится причиной потери подвижности иглы.

Распылители форсунок имеют непосредственный контакт с цилиндровыми газами и подвергаются циклическому воздействию высоких температур и давлений. Они работают в условиях агрессивной среды, которая