автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Снижение тепломеханической нагруженности и износа направляющего прецизионного сопряжения совершенствованием конструкции распылителя топливной форсунки дизеля

На правах рукописи

даааи4*0

Ломакин Георгий Викторович '—

снижение тепломеханической нагруженности и износа направляющего прецизионного сопряжения совершенствованием конструкции распылителя топливной форсунки дизеля

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 сен 2011

Челябинск-2011

4853048

Работа выполнена в национальном исследовательском университете ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет».

Научный руководитель -

доктор технических наук, доцент Лазарев Владислав Евгеньевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Суркин Вячеслав Иванович,

кандидат технических наук, доцент, Марков Михаил Васильевич.

Ведущая организация -

ООО «ГСКБ «Трансдизель».

Защита состоится 28 сентября 2011 г., в 13 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.298.09 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, ауд. 1001 гл. корп. E-mail: D212.298.09@mail.ru, тел/факс (351)267-91-23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять в двух экземплярах по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

М tf-W—

Лазарев Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами с одновременным увеличением удельной мощности дизелей сопровождается повышением давления впрыскивания топлива и температуры распылителя топливной форсунки. В результате высоких гидродинамических и тепломеханических нагрузок снижается ресурс направляющего прецизионного сопряжения распылителя. При анализе состояния распылителей в процессе эксплуатации дизелей отмечается, что 75% вышедших из строя распылителей имеет потерю гидравлической плотности вследствие преждевременного достижения предельного износа направляющего прецизионного сопряжения. Повышение ресурса направляющего прецизионного сопряжения распылителей топливных форсунок является одним из условий высокого технического уровня дизелей.

Снижение нагруженности и износа направляющего прецизионного сопряжения совершенствованием конструкции распылителя для повышения ресурса при увеличении давления впрыскивания топлива является актуальной научной задачей. При решении задачи комплекс технических решений по совершенствованию конструкции распылителей проверялся оценкой тепломеханической нагруженности и износа направляющего прецизионного сопряжения.

Цель работы. Снижение нагруженности и износа направляющего прецизионного сопряжения совершенствованием конструкции распылителя топливной форсунки.

Для достижения цели предусматривается решение следующих задач:

1. Разработать комплекс технических решений по совершенствованию конструкции распылителя для снижения тепломеханической нагруженности направляющего прецизионного сопряжения.

2. Определить граничные условия теплообмена для моделирования и оценки тепловой нагруженности прецизионных сопряжений распылителя методом конечных элементов.

3. Оценить уровень теплового и механического нагружения прецизионных сопряжений распылителя при использовании новых технических решений.

4. Экспериментально определить влияние предложенных технических решений на износы направляющего прецизионного сопряжения распылителя и эффективные, экономические показатели в результате краткосрочных и длительных испытаний дизеля.

5. Разработать рекомендации по снижению износа и увеличения ресурса направляющего прецизионного сопряжения распылителей в дизелях.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель распылителя модифицированной конструкции, позволяющая выполнить анализ влияния уровня нагруженности прецизионных сопряжений на параметры изнашивания и ресурс распылителя.

2. Определены факторы, снижающие тепломеханическую нагруженность: в направляющем прецизионном сопряжении - конфигурация, масса, геометрические параметры иглы и гидравлического тракта в корпусе, в запирающем - интенсивность теплообмена топлива со стержнем иглы и рабочих газов с корпусом распылителя.

3. Установлено снижение тепломеханической нагруженности и скорости изнашивания элементов прецизионных сопряжений при уменьшении диаметра, длины направляющей части и хода иглы распылителя.

Методы исследования. Математическое моделирование процессов теплообмена и контактного взаимодействия элементов направляющего прецизионного сопряжения распылителя топливной форсунки в дизеле с использованием методов подобия и конечных элементов. Экспериментальные исследования распылителя в дизеле с использованием стандартных и оригинальных измерительной аппаратуры и методов испытаний.

Объект и предмет исследования. Процессы гидродинамического и тепломеханического нагружения и их влияние на износ направляющего прецизионного сопряжения распылителя топливной форсунки в дизеле.

Практическая ценность.

1. Разработан и защищен патентом РФ на изобретение распылитель оригинальной конструкции с уменьшенными ходом, диаметром и длиной направляющей части иглы, а также с усовершенствованной образующей поверхности полости охлаждения под дифференциальной площадкой иглы в корпусе для снижения тепломеханической нагруженности направляющего прецизионного сопряжения.

2. Предложена и апробирована методика определения граничных условий гидродинамического и тепломеханического нагружений для оценки температурного, напряженно-деформированного состояния и износа направляющих прецизионных сопряжений распылителей различных конструкций.

3. Разработан и обоснован комплекс мероприятий по совершенствованию конструкции распылителя, направленный на снижение уровня его тепломеханической нагруженности и повышение ресурса прецизионных сопряжений.

4. Экспериментально установлена необходимость увеличения усилия затяжки пружины форсунки для обеспечения герметичности запирающего прецизионного сопряжения при уменьшении диаметра, длины направляющей части и хода иглы распылителя.

Реализация результатов. Результаты работы использованы ООО «ГСКБ «Трансдизель» при совершенствовании конструкции прецизионного сопряжения, развитию охлаждающей полости под дифференциальной площадкой иглы и увеличению числа наклонных топливоподводящих каналов в корпусе распылителя тракторного дизеля 4ЧН15/20,5 (Д-180) и его модификаций. Методика определения граничных условий гидродинамического и тепломеханического нагружения направляющего прецизионного сопряжения распылителя используется в учебном процессе кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» ЮжноУральского государственного университета. Методика экспериментальных исследований распылителей использована в НП «Сертификационный центр автотракторной техники» при оценке показателей транспортных дизелей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждены и одобрены на региональных, межрегиональных и международных научно-технических конференциях: Челябинск: ЮУрГУ, 2009-2011 гг.; Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2009 г.; Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 г.; Челябинск: ЧГАА, 2009-2011 гг.

Диссертационная работа одобрена на научных семинарах кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета и кафедры «Тракторы и автомобили» Челябинской государственной агроинже-нерной академии.

Публикации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы изложены в 15 работах, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК, 6 — в материалах международных, всероссийских и региональных конференций, 1 — в региональных изданиях, в 2 патентах РФ на полезную модель и 1ом положительном решении по заявке о выдаче патента РФ на изобретение.

Личный вклад автора. Основные научные результаты теоретических и экспериментальных исследований получены лично автором при выполнении научно-исследовательских работ:

— по гранту 2009-2011, П503 от 05.08.2009 «Теоретические основы методов разработки малотоксичного рабочего цикла и повышения ресурса основных трибосопряжений энергоэффективных двигателей внутреннего сгорания»,

- по гранту 2010-2012, № 16.740.11.0073 от 01.09.2010 «Совершенствование методов расчета сложнонагруженных и прецизионных трибосопряжений транспортных двигателей с учетом гидродинамического и граничного режимов трения, тепломассообмена и неньютоновских свойств смазочных материалов».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка (68 источников) и приложения. Диссертация содержит 154 страниц, 12 таблиц, 60 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается, что улучшение эксплуатационных свойств дизелей зависит от ресурса прецизионных сопряжений распылителей. Нагруженность прецизионных сопряжений распылителя растет с увеличением уровня форсирования дизеля. Совершенствование конструкции распылителя топливной форсунки с целью снижения нагруженности и износа прецизионных сопряжений является актуальным направлением повышения технического уровня дизелей.

В первой главе рассматриваются основные направления развития рабочего цикла дизелей, важнейшими из которых являются повышение топливной экономичности и снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами. Качество процессов смесеобразования и сгорания в дизеле в значительной степени определяется параметрами и характеристиками процесса впрыскивания топлива.

Конструкция распылителя должна обеспечивать равномерное распределение по камере сгорания, тонкость и равномерность распыливания, своевременность и закономерность впрыскивания топлива, а также герметизацию магистрали высокого давления. Выполнение этих требований затруднено в распылителях типа ОЬА, износ прецизионных сопряжений которых еще достаточно высок.

Тепломеханическая нагруженность распылителей определяет работоспособность направляющего прецизионного сопряжения. В этих условиях способы обеспечения работоспособности изменением конструкции направляющего прецизионного сопряжения распылителей еще недостаточно изучены.

венно подтверждает повышение ресурса направляющего прецизионного сопряжения.

Рис. 9. Зависимость ресурса направляющего прецизионного сопряжения от

среднего эффективного давления дизеля 4ЧН 15/20,5 для распылителей:-

опытный,---штатный; (эксперимент: х - опытный, о - штатный)

Таблица 2

Сравнительная оценка ресурса направляющего прецизионного сопряжения исследуемых распылителей

Параметры Обозначение Единицы измерения Штатный распылитель Опытный распылитель

Предельный износ иглы м 3,33-10"' 4,95-10"7

Предельный износ корпуса Л|гт2 м 2,67-10"'' 4,00-10"6

Суммарный предельный износ иглы и корпуса распылителя Ни т м 3,00-10"6 4,50-10"6

Ресурс направляющего сопряжения иглы распылителя мч 1241,20 2185,05

[Ресурс направляющего ¡сопряжения корпуса распылителя 1т2 мч 1229,82 2181.84 |

Таблица 3

Сравнительная оценка гидравлической плотности направляющего прецизионного сопряжения исследуемых распылителей

Распылитель Состояние распылителя Исследуемый параметр, г Единицы измерения Величина Изменение параметра, Дт

Штатный До испытаний Время снижения давления топлива с 29 8

После испытаний 21

Опытный До испытаний 32 4

После испытаний 28

Основные результаты и выводы

1. Снижение тепломеханической нагруженности прецизионных сопряжений целесообразно обеспечивать дифференцированным воздействием: в направляющем - на конфигурацию, массу, геометрические параметры иглы и гидравлического тракта в корпусе, а в запирающем - на интенсивность теплообмена впрыскиваемого топлива со стержнем иглы и рабочих газов с корпусом распылителя.

При определении радиальной силы учитывается изменение геометрических параметров элементов сопряжения вследствие теплового расширения, используя рекомендации В.Е. Лазарева. Износ сопряжения обусловлен контактом поверхности иглы с поверхностью отверстия в корпусе при работе распылителя.

Тепловое нагружение распылителя характеризуется теплоотдачей от газов к корпусу, от корпуса к топливу и теплопередачей при контакте с форсункой.

Теплообмен газов с корпусом распылителя характеризуется граничными условиями третьего рода. По текущим значениям коэффициента теплоотдачи а и температуры Т газов определяются эквивалентные значения аэ и Гэ. Определение Т выполняется термодинамическим анализом индикаторной диаграммы давления Р, для оценки а используется известная зависимость Г. Вошни

-0,53

а = Cg -P°'S - Т~

"0,2.^0,8

(2)

Следуя рекомендациям А.К. Костина, P.M. Петриченко и A.B. Николаенко учитываются распределение коэффициента теплоотдачи по поверхности головки на диаметре D цилиндра и в зазоре между распылителем и отверстием в головке.

Свободно-конвективный теплообмен в закрытой воздушной полости под экраном выступающей части корпуса распылителя определяется с использованием уравнения M.A. Михеева, характеризуемого коэффициентом теплопроводности воздуха Ав, критериями подобия GrB, Ргв и шириной воздушной полости под экраном 5, модифицированного автором

а = 0,36 (GrB-PrJ

,0,25 Лв

(3)

Коэффициент теплоотдачи в полостях распылителя: кольцевой, дифференциальной площадки и колодце под иглой при вынужденно-конвективном теплообмене между корпусом и топливом, отсутствии впрыскивания и колебательных движениях топлива рассматривается с учетом рекомендаций М.А. Михеева:

a-i =1,4

Reíd.

0,4

/

■РГт

0,33

fíТ.

РГг

\0,25

Ат

(4)

CT /

Коэффициенты теплоотдачи в кольцевой полости и колодце под иглой при вынужденно-конвективном теплообмене между корпусом и топливом, впрыскивании топлива с высокой скоростью рассматривается М.А. Михеевым, а в полости дифференциальной площадки, с учетом рекомендаций В.Н. Долинина, определятся соответственно:

ai'3 = 0,021Pe0,s Рлт0,43

Ргт

\0,25

РГг

•E¡

CT 7

At

v

Qj =0,023 -Re0'69

PrTL

0,4

(5)

(6)

Контактный теплообмен с форсункой характеризуется температурой 7К деталей в контакте и коэффициентом контактного теплообмена ак, который для горизонтальных поверхностей определяется по рекомендациям Г.Б. Розенблита:

ak = -^ + 2,1.^i.104, (7)

/7-| н- /?2 3 aB

а для вертикальных — по закономерностям для условного зазора о^- Лс / Термическое сопротивление контакта зависит от высоты микронеровностей h 1 и /7г, контактного усилия Р, величины зазора и теплопроводности среды Лс в зазоре.

В третьей главе выполнена расчетно-экспериментальная оценка тепловой нагруженности распылителей, отличающихся, в соответствии с рис. 1, диаметром, длиной направляющей части и массой иглы, числом топливных каналов и полостью охлаждения в корпусе и экраном на его выступающей части.

Для создания конечно-элементных аналогов при определении теплового состояния выполнено твердотельное моделирование исследуемых распылителей. В соответствии с рис. 2 на поверхности корпуса штатного распылителя выделяется протяженная зона с температурой в среднем 220 °С. В направляющем прецизионном сопряжении максимальная температура составляет 180 °С. Уменьшение диаметра до 4 мм и длины до 10 мм направляющей части иглы, развитие охлаждающей полости в корпусе, увеличение числа топливных каналов до 5 приводит к снижению температуры направляющего прецизионного сопряжения опытного распылителя в среднем на 47 °С. Температура запирающего прецизионного сопряжения распылителя при этом изменяется несущественно, однако, в соответствии с рис. 2, б, постановка экрана на выступающей части корпуса снижает эту температуру на 29 °С.

Параметры контактного взаимодействия оцениваются с учетом механического и теплового нагружения направляющего сопряжения, структуры микрорельефа и параметров шероховатости поверхностей контакта, теплофизических и механических свойств элементов и дизельного топлива, как смазочной среды. При этом учитываются вид контактного взаимодействия, соотношение между номинальной и фактической площадями контакта, номинальное Ра, контурное Рс и фактическое Рг давления контакта и коэффициент трения. Указанные параметры определены с учетом рекомендаций В.Е. Лазарева для прецизионных сопряжений распылителя топливной форсунки.

Связь радиальной силы в направляющем прецизионном сопряжении распылителя с номинальными, контурными и фактическими параметрами контактирования определится

N = PaAa=PcAc=PrAr, (8)

где /4а, Ас и Аг — номинальная, контурная и фактическая площади контакта, м2.

При оценке плотности теплового потока q в контактирующие элементы сопряжения и дизельное топливо использовано основное уравнение тепловыделения при трении:

4 = rfp*^v> (9)

где f, г — соответственно коэффициенты трения и распределения теплоты (определяется по рекомендации Ф. Шаррона);

Ра - номинальное давление, Па;

V— скорость скольжения, м/с. Для оценки коэффициента теплоотдачи квази-конвективного теплообмена, выполнено совместное решение уравнений теплопроводности и конвекции. Уравнение конвективного теплообмена:

Я = а(Т-Т0), (10)

где Г0, Г-температура окружающей среды, контактная температура, К; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К).

ТешрегаП1ге

325.07

300.43 275,79

251.15 226,51 201.86 177,22 152,58 127,94 103.3

Тешре(л1ше 346.43

318,61 290,79 262,98

235.16 207,35 179,53 151,71 123,9 96,081

Тетрег^иге

427.74

390,89 354,04 317,19 280,34 | 243,49 206,65 169.8 132,95 96.098

■- штатный распылитель

— — — опытный распылитель --- опытный сэкранированием

29 °С

а) б)

Рис. 2. Температура игл (а) и распределение температур в сечениях исследуемых распылителей (б) в дизеле при Ре = 0,80 МПа, п = 1250 мин

Уравнение теплопроводности:

Я = ^(Т~Тк) = а(Т-Тк), (И)

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К), квази-конвективного теплообмена; Ти - результирующая температура, К; I- - глубина реперной точки от контактной поверхности, м. Распределение температур на поверхности и в объеме иглы распылителей представлено на рис. 3. Форма контактной поверхности и условия теплообмена определяют распределение температур в зоне контакта, например иглы. Распределение тепловых потоков - результат прогрева сопряжения распылителей от

Штатный распылитель

Опытный распылитель

Опытный с экранированием

рабочих газов в цилиндре с одновременной генерацией теплоты на поверхности контакта вследствие трения. Распределение температур многоочаговое и нерегулярное, что объясняется, в соответствии с рис. 3, особенностями шероховатой поверхности. Отмечается снижение температуры опытного распылителя.

Для оценки нормальных напряжений в контактном слое сопряжения микромеханическим статическим прочностным анализом использована, в соответствии с рис. 4, модель поверхностей с оригинальной шероховатостью иглы и корпуса распылителей размерами основания 4x4 мкм и глубиной 1,5 мкм.

Тепловой поток Тепловой поток Поверхность

на пятне контакта

Штатный

Т °С Опытный ■

Граничные условия квази конвективного теплообмена

а)

б)

Рис. 3. Тепловая модель с граничными условиями (ГУ) контактного теплообмена (а) и распределение температур в игле распылителей (б) (Ре = 0,85 МПа, Л = 1250 мин"1)

Радиальная сила в сопряжении

д ^ д

оу, Па

Штатный

Опытный

а) б)

Рис. 4. Микромеханическая модель контактного направляющего сопряжения с ГУ механического взаимодействия (а) и распределение нормальных напряжений в сопряжениях (б) (Ре = 0,85 МПа, п = 1250 мин-1)

Максимальные фактические давления располагаются вблизи центра пятна контакта. Распределение нормальных напряжений сгу в сопряжениях имеет «оча-

говый» характер с увеличением их в области контакта. Изолинии напряжений распределены «слоями» по поверхности и в объеме элементов сопряжения пропорционально площади фактического контакта. Формирование «сжатой» среды сферической формы происходит внутри областей напряжений растяжения. У опытного распылителя наблюдается меньший уровень напряжений.

В четвертой главе приведено описание конструкции новых распылителей (защищенных патентом РФ на изобретение), элементов направляющего прецизионного сопряжения, в соответствии с рис. 5.

Ж 4

а) б)

Рис. 5. Фотографии сечений внутренней конфигурации направляющего прецизионного сопряжения штатного (а) и опытного (б) распылителей

Разработана методика экспериментального исследования, предусматривающая решение следующих задач: измерение элементов направляющего прецизионного сопряжения распылителя; сравнительные испытания штатных и опытных распылителей топливных форсунок с определением регулировочной, скоростной и нагрузочных (на режимах номинальной мощности и максимального крутящего момента) характеристик дизеля; оценка износа и изменения гидравлической плотности направляющего прецизионного сопряжения штатных и опытных распылителей форсунок после длительных ресурсных (400 часовых) испытаний. Описана экспериментальная установка, измерительная и регистрирующая аппаратура с указанием погрешностей измерений.

В пятой главе рассмотрены экспериментально полученные результаты сравнительных технико-экономических показателей дизеля 4ЧН15/20,5 со штатными и опытными распылителями топливных форсунок. Регулировочные характеристики свидетельствуют, в соответствии с рис. 6, а, что на режимах номинальной мощности (п = 1250 мин"1) и максимального крутящего момента (п = 900 мин-1) оптимальный (с позиции топливной экономичности) угол опережения подачи топлива находится в интервале 21.. .23 град ПКВ до ВМТ.

Результаты определения скоростных характеристик дизеля 4ЧН 15/20,5 с углом опережения подачи топлива бВПр = 23 град ПКВ до ВМТ при работе с топливными форсунками, укомплектованными штатными и опытными распылителями представлены на рис. 6, б.

При работе дизеля в комплектации с опытными форсунками наблюдается снижение температуры отработавших газов ^ на 20...40 °С в исследуемом диапазоне частот вращения коленчатого вала. Наибольшее снижение температуры отработавших газов наблюдается в области повышенных частот вращения коленчатого вала.

Снижение удельного эффективного расхода топлива де наблюдалось в пределах 1,3...3,4 г/кВт-ч на режимах п = 900...1000 мин"1 и п = 1150...1250 мин"1

соответственно. При этом увеличилась мощность Л/е дизеля в диапазоне частот вращения коленчатого вала 900... 1050 мин-1. Увеличение мощности составило 1,8...3,2 кВт. Запас крутящего момента дизеля возрос с 25,5 до 27,6%. При частотах вращения коленчатого вала 900... 1250 мин"' наблюдается тенденция увеличения расхода и коэффициента избытка а воздуха.

Дигель 4ЧИ15/20,5; п-1250 мин"; Сг - 28 кг/ч "14, °С

400 300

г-

г/кВт-ч 220 210

р-

Г-

19 21 23 Дики 4ЧН15/20,5!п - 900 МНИ"'; Ст = 2б кг/ч

25 «.чгри

ПКВлоВМТ

л.

г/кВт-ч 220 210

'г

/

__ г.

и_

500 400

25 грм ПКВлоВМТ

1200 п, МИН"1

а) б) Рис. 6. Регулировочные (а) и скоростные (б) характеристики дизеля 4ЧН15/20,5 со штатными----и опытными-распылителями

Результаты определения нагрузочных характеристик дизеля 4ЧН15/20,5 при П = 900 мин-1 и П = 1250 мин-1 с углом опережения подачи топлива 0впр= 23 град ПКВ до ВМТ, представлены на рис. 7, а и 7, б. При работе дизеля в комплектации с опытными форсунками наблюдается снижение температуры отработавших газов на 30...50 °С при частотах вращения п = 1250 мин-1 и п = 900 мин"1. Удельный эффективный расход топлива по характеристике при П = 1250 мин-1 снизился на 1,3...4 г/кВт-ч (в среднем на 2,6 г/кВт-ч). Удельный эффективный расход топлива по нагрузочной характеристике при п = 900 мин"1 также снизился. Наибольшее снижение удельного расхода топлива наблюдалось при средних и малых значениях среднего эффективного давления Ре. В диапазоне изменения Ре от 0,45 до 0,85 МПа снижение удельного эффективного расхода топлива составило 5,8...8,4 г/кВт-ч.

Для определения сравнительных износа и интенсивности изнашивания направляющих прецизионных сопряжений штатных и опытных распылителей с участием автора проведены длительные (400 часовые) испытания дизеля 4ЧН15/20,5.

Оценка диаметрального зазора в направляющем прецизионном сопряжении для штатных и опытных распылителей до и после испытаний, в соответствии с рис. 8, определялась путем измерения диаметров игл и отверстий в корпусах распылителей. Измерение диаметров выполнялось с использованием измерительного стенда ЦНИТА-8259, рычажного микрометра (МРИ 400-0,001

ГОСТ4381-87) и нутромера повышенной точности (нутромер 3-6 ГОСТ 9244-75) с ценой деления 0,001мм. Результаты измерений основных элементов направляющего прецизионного сопряжения использовались при определении расчетным путем изношенной массы иглы и корпуса.

0,4 0,5 0,6 0.7 0,8 Р.ЛШа 0,3 0,« 0,7 0,8 0,9 1,0 Р„МПа

а) б)

Рис. 7. Нагрузочные характеристики дизеля 4ЧН 15/20,5 со штатными----и

опытными-распылителями при п = 1250 мин-1 (а) и П = 900 мин"1 (б)

После установления глубины Л изношенного слоя и изношенной массы т

11 т

определялись линеиная V] = — и массовая ут = — скорости изнашивания иглы и

корпуса исследуемых распылителей.

Затем определена линейная интегральная интенсивность изнашивания ^

. Л /7

(12)

где в - путь трения иглы распылителя, м; г — число циклов за время V, t - продолжительность длительных испытаний, мч; Л, - ход иглы, м.

Полученные результаты приведены в табл. 1.

Анализ линейных и массовых скоростей изнашивания элементов сопряжений исследуемых распылителей свидетельствует, что совершенствование конструкции опытного распылителя позволяет снизить линейную скорость изнашивания иглы и корпуса в 1,2 раза, а массовую скорость изнашивания иглы и корпуса - в 3,2 раза. При этом линейная интегральная интенсивность изнашивания элементов направляющего прецизионного сопряжения штатного и опытного распылителей практически не изменилась.

При определении моторесурса прецизионных элементов распылителя следует использовать экспериментально установленную глубину /? изношенного контактного слоя.

Для оценки ресурса направляющего прецизионного сопряжения распылителя в моточасах, можно использовать зависимость, предложенную В.Е. Лазаревым

= ,п ~Т „ , (13)

30 • п ■ /(-, -п\

где /7 - глубина изношенного слоя иглы или корпуса распылителя, м; п - частота вращения коленчатого вала дизеля, мин-1; А, — линейная интегральная интенсивность изнашивания, м/м; Л, - ход иглы распылителя топливной форсунки.

Штатный распылитель

Опытный распылитель

Время работы:

1.5

0 6000

Б

Рис. 8. Усредненная оценка радиального зазора в направляющем прецизионном сопряжении штатного (а) и опытного (б) распылителей

На рис. 9 представлены зависимости ресурса направляющего прецизионного сопряжения исследуемых распылителей от среднего эффективного давления дизеля 4ЧН15/20,5, определенные ранее.

При оценке средневзвешенного значения моторесурса направляющего прецизионного сопряжения распылителя учтено распределение времени эксплуатации дизеля по режимам его нагружения. Средневзвешенный моторесурс штатного распылителя составляет 1229,82 моточасов, а опытного распылителя -2181,84 моточасов. Полученные результаты приведены в табл. 2.

Таблица 1

Сравнительная оценка износа направляющего прецизионного сопряжения исследуемых распылителей

Параметры Обозначения Единицы измерения Штатный распылитель Опытный распылитель

Исходный диаметральный зазор в сопряжении до испытаний А м 3-10"6 5,2-10"6

Измеренный диаметральный зазор в сопряжении после испытаний Н м 5-Ю"6 7-Ю"6

Радиальная глубина изношенного слоя иглы распылителя /71 м 1,1-10"7 1,0-10"7

Радиальная глубина изношенного слоя отверстия корпуса распылителя /72 м 8,9-10"7 8,0-10"7

Потеря массы иглы после 400 часов наработки ДП71 кг 2,95-10"7 9,8210"8

Потеря массы корпуса после 400 часов наработки Лт2 кг 2,39-10"6 7,96-Ю-7

Частота вращения коленчатого вала дизеля п мин"1 1250 1250

Ход иглы распылителя форсунки ь, м 4,5-10"4 3,5-10"4

Суммарная наработка распылителей в процессе испытаний (в моточасах) ( мч 410 437

Линейная скорость изнашивания иглы распылителя Ч м/ мч 2,68-Ю10 2,26-10-'°

Линейная скорость изнашивания корпуса распылителя VI м/ мч 2,17-10"9 1,83-10"9

Массовая скорость изнашивания иглы распылителя Ип1 кг/ мч 7,19-Ю"10 2,25-10"'°

Массовая скорость изнашивания корпуса распылителя Ип2 кг/ мч 5,8210"9 1,82'Ю-9

Линейная интегральная интенсивность изнашивания иглы /ы м/м 1,59-Ю"11 1,73-10""

Линейная интегральная интенсивность изнашивания корпуса 1ы м/м 1,29-10"10 1,3910"'°

Для контроля состояния направляющего прецизионного сопряжения распылителя топливной форсунки дизеля 4ЧН15/20,5 до и после длительных 400 часовых испытаний выполнена оценка гидравлической плотности. Результаты оценки гидравлической плотности штатного и опытного распылителей до и после испытаний приведены в табл. 3. Гидравлическая плотность оценивалась временем т снижения давления топлива под иглой распылителя от 20 МПа до 10 МПа. После длительных испытаний наблюдается снижение гидравлической плотности направляющего прецизионного сопряжения штатного и опытного распылителей.

Однако изменение времени Дг снижения давления (до и после 400 часового периода длительных испытаний) у опытного распылителя в 2 раза меньше, чем у штатного распылителя. Это свидетельствует о меньшей степени снижения гидравлической плотности у опытного распылителя топливной форсунки, что кос-

15

венно подтверждает повышение ресурса направляющего прецизионного сопряжения.

Рис. 9. Зависимость ресурса направляющего прецизионного сопряжения от

среднего эффективного давления дизеля 4ЧН15/20,5 для распылителей:-

опытный,---штатный; (эксперимент: х - опытный, о - штатный)

Таблица 2

Сравнительная оценка ресурса направляющего прецизионного сопряжения исследуемых распылителей

Параметры Обозначение Единицы измерения Штатный распылитель Опытный распылитель

Предельный износ иглы 1Ьт\ м 3,33-10"7 4,95-10"7

Предельный износ корпуса м 2,67-10"6 4,00-10^

Суммарный предельный износ иглы и корпуса распылителя Нт м з,оо- КГ6 4,50-10"6

Ресурс направляющего сопряжения иглы распылителя ¿ГШ мч 1241,20 2185,05

Ресурс направляющего сопряжения корпуса распылителя (т2 мч 1229,82 2181,84

Таблица 3

Сравнительная оценка гидравлической плотности направляющего прецизионного сопряжения исследуемых распылителей

Распылитель Состояние распылителя Исследуемый параметр, г Единицы измерения Величина Изменение параметра, Дг

Штатный До испытаний Время снижения давления топлива с 29 8

После испытаний 21

Опытный До испытаний 32 4

После испытаний 28

Основные результаты и выводы

1. Снижение тепломеханической нагруженности прецизионных сопряжений целесообразно обеспечивать дифференцированным воздействием: в направляющем — на конфигурацию, массу, геометрические параметры иглы и гидравлического тракта в корпусе, а в запирающем - на интенсивность теплообмена впрыскиваемого топлива со стержнем иглы и рабочих газов с корпусом распылителя.

2. Уменьшение диаметра, длины направляющей части и хода иглы достигается на основе учета взаимосвязи процессов гидродинамического и тепломеханического нагружения с интенсивностью изнашивания элементов прецизионного сопряжения распылителя, т.к. повышение температуры элементов распылителя приводит к уменьшению зазора, увеличению давления впрыскивания топлива и геометрической площади его воздействия.

3. Для обеспечения герметичности запирающего прецизионного сопряжения при уменьшении диаметра, длины направляющей части и хода иглы необходимо увеличение усилия затяжки пружины форсунки.

4. Установлено, что уменьшение диаметра с 6 до 4 мм и длины с 18 до 10 мм направляющей части иглы и увеличение числа наклонных топливных каналов в корпусе с 3 до 5 позволяет на 25% снизить максимальную температуру направляющего прецизионного сопряжения. Для сохранения ресурса прецизионных сопряжений при форсировании дизеля целесообразны пропорциональное уменьшение хода иглы и экранирование выступающей части корпуса.

5. Использование распылителей опытной конструкции в дизеле 4ЧН15/20,5 позволяет уменьшить удельный эффективный расход топлива на 2...6 г/кВт-ч, температуру отработавших газов на 30...50 °С и повышение (до 2 %) коэффициента приспособляемости по крутящему моменту.

6. Изменение геометрических параметров элементов направляющего прецизионного сопряжения сопровождается снижением линейной (на 15,5%) и массовой (на 68,5%) скоростей изнашивания иглы и корпуса опытного распылителя по сравнению со штатным распылителем. Повышение ресурса элементов направляющего прецизионного сопряжения в опытном распылителе при работе дизеля составляет около 76,5% в сравнении со штатным распылителем.

7. Результаты длительных испытаний дизеля свидетельствуют об уменьшении в 2 раза интенсивности снижения гидравлической плотности направляющего прецизионного сопряжения опытного распылителя в сравнении со штатным.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

Ведущие рецензируемые научные журналы и издания

1. Лазарев, В.Е. Снижение тепловой и гидродинамической нагруженности направляющего сопряжения «игла - корпус» распылителя / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, Е.А. Лазарев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение».- 2009,-Вып.14. - № 33 (166). - С. 76 - 80.

2. Лазарев, В.Е. Напряженное состояние контактного слоя прецизионного сопряжения при тепловой защите распылителя форсунки в дизеле / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, Е.А. Лазарев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение».-2010,- Вып. 16,- № 29 (205). - С. 38 - 44.

3. Лазарев, В.Е. Параметры процесса сгорания топлива и показатели рабочего цикла дизеля при изменении давления начала впрыскивания топлива / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, Е.А. Лазарев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение».-2011,-Вып. 17,-№ 11 (228).-С. 83-86.

4. Лазарев, В.Е. Влияние конструкции распылителя на технико-экономические показатели дизеля / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, Е.А. Лазарев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение»,- 2011- Вып. 17 - № 11 (228).- С. 87 - 90.

5. Лазарев, В.Е. Снижение тепломеханической нагруженности прецизионных сопряжений распылителя / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин // Вестник Академии военных наук.- 2011.- № 2 (35).- С. 219 - 221.

Патенты

6. Патент РФ на полезную модель RU № 86668 U1, МПК F02M 49/00. Распылитель форсунки / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, Е.А. Лазарев, // Открытия. Изобретения,- 2009.- Бюл. № 25.

7. Патент РФ на полезную модель RU № 98485 U1, МПК F02M 49/00. Распылитель форсунки / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, B.C. Мурзин, Е.И. Перцев, Е.А. Лазарев // Открытия. Изобретения — 2010 — Бюл. № 29.

8. Положительное решение от 04.05.2011 о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 2010113188 с датой приоритета 07.04.2010. Распылитель форсунки / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, Е.А. Лазарев.

Материалы международных, всероссийских и региональных конференций

9. Ломакин, Г.В. Разработка распылителя форсунки для реализации повышенных давлений впрыскивания / Г.В. Ломакин // Материалы первой научно-технической конференции аспирантов и докторантов ЮУрГУ. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009,- С. 26-29.

Ю.Лазарев, В.Е. Совершенствование конструкции распылителя форсунки тракторного дизеля / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, Е.А. Лазарев // Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития Евроазиатских транспортных систем». Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009,- С. 112-115.

11. Лазарев, В.Е. Снижение тепловой нагруженности распылителя совершенствованием конструкции гидравлического тракта / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, Е.А. Лазарев // Материалы XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2009 - С. 274.

12. Ломакин, Г.В. Изменение основных показателей дизеля при различных давлениях впрыска топлива / Г.В. Ломакин, В.Е. Лазарев // Материалы второй научно-технической конференции аспирантов и докторантов ЮУрГУ. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010 — С. 31-35.

13. Лазарев, В.Е. Распылитель с пониженной тепловой нагруженностью прецизионных сопряжений для форсунки дизеля / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, Е.А. Лазарев // Материалы международной научно-технической конференции «Дви-гатель-2010». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 - С. 341-344.

14. Лазарев, В.Е. Влияние давления впрыскивания на смесеобразование и сгорание топлива в дизеле и работоспособность распылителя форсунки / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин // Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития Евроазиатских транспортных систем».- Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010 - С. 149-153.

Региональные издания

15. Лазарев, В.Е. Интенсификация охлаждения корпуса распылителя в дизеле увеличением числа наклонных каналов / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин // Автомобильная техника: науч. вестник Вып. 20. - Челябинск: Изд-во ЧВВАКИУ, 2009. - С. 60-62.

Ломакин Георгий Викторович

СНИЖЕНИЕ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ И ИЗНОСА НАПРАВЛЯЮЩЕГО ПРЕЦИЗИОННОГО СОПРЯЖЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ КОНСТРУКЦИИ РАСПЫЛИТЕЛЯ ТОПЛИВНОЙ ФОРСУНКИ ДИЗЕЛЯ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 22.06.2011. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 221/376.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

Основные обозначения

Введение.

1. Проблемы повышения технического уровня транспортных дизелей

1.1. Основные направления совершенствования рабочего цикла.

1.2. Экономия топлива и выбросы вредных веществ с отработавшими газами.

1.3. Тепломеханическая нагруженность и работоспособность распылителей.

1.4. Цель и задачи исследования

2. Совершенствование распылителя и виды нагружения его элементов.

2.1. Особенности конструкции опытного распылителя.

2.2. Воздействие давления топлива на иглу и корпус распылителя.

2.3. Тепловое воздействие рабочих газов на корпус распылителя.

2.4. Теплообмен в топливных полостях и контактный теплообмен распылителя

2.5. Теплообмен в закрытой воздушной полости под экраном.

3. Распределение температур, деформаций и напряжений в распылителе

3.1. Оценка тепловой и механической нагруженности распылителя.

3.2. Снижение нагруженности распылителя совершенствованием конструкции.

3.3. Особенности контактного нагружения элементов распылителя.

4. Методика, экспериментальная установка и измерительная аппаратура

4.1. Подготовка топливных форсунок с исследуемыми распылителями.

4.2. Методика экспериментального исследования.

4.3. Экспериментальная установка и измерительная аппаратура.

5. Экспериментальный анализ показателей дизеля и износа сопряжений

5.1. Оценка показателей дизеля с исследуемыми распылителями.

5.2. Определение износа и интенсивности изнашивания сопряжений.

5.3. Оценка ресурса прецизионных сопряжений распылителя.

Улучшение топливной экономичности, эксплуатационных свойств и повышение удельной мощности дизелей являются важнейшими направлениями развития отечественного и зарубежного дизелестроения. Улучшение эксплуатационных свойств дизелей предполагает снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами, повышение ресурса агрегатов основных систем, снижение уровня шума и вибрации, а также обеспечение многотопливности. В значительной степени эксплуатационные свойства дизелей определяются работоспособностью топливоподающей аппаратуры, в частности распылителя топливной форсунки. Работоспособность распылителей в значительной степени определяется нагруженностью элементов направляющего прецизионного сопряжения.

Уменьшение выбросов вредных веществ с отработавшими газами с одновременным увеличением удельной мощности дизелей обеспечивается повышением давления впрыскивания топлива и сопровождается ростом температуры распылителя топливной форсунки. В результате высоких тепломеханических и гидродинамических нагрузок снижается ресурс прецизионных сопряжений распылителя. При анализе состояния распылителей в процессе эксплуатации дизелей отмечается, что 75% вышедших из строя распылителей имеет потерю гидравлической плотности вследствие преждевременного достижения предельного износа прецизионных сопряжений. Повышение ресурса прецизионных сопряжений распылителей топливных форсунок является одним из условий обеспечения высокого технического уровня дизелей.

Снижение нагруженности и износа прецизионных сопряжений совершенствованием конструкции распылителя для повышения ресурса при увеличении давления впрыскивания топлива является актуальной научной задачей. При решении этой задачи эффективность технических решений по совершенствованию конструкции распылителя форсунки определялась оценкой тепломеханической нагруженности и износа прецизионных сопряжений.

Цель настоящего исследования заключается в снижении нагруженности и износа направляющего прецизионного сопряжения совершенствованием конструкции распылителя топливной форсунки дизеля.

Объект и предмет исследования. Конструкция элементов распылителя, процессы тепломеханического и гидродинамического нагружения и их влияние на износ и ресурс направляющего прецизионного сопряжения распылителя топливной форсунки в дизеле.

Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель распылителя модифицированной конструкции, позволяющая выполнить анализ влияния уровня нагруженности прецизионных сопряжений на параметры изнашивания и ресурс распылителя.

2. Определены факторы, снижающие тепломеханическую нагруженность: в направляющем прецизионном сопряжении - конфигурация, масса, геометрические параметры иглы и гидравлического тракта в корпусе, в запирающем - интенсивность теплообмена топлива со стержнем иглы и рабочих газов с корпусом распылителя.

3. Установлено снижение тепломеханической нагруженности и скорости изнашивания элементов прецизионных сопряжений при уменьшении диаметра, длины направляющей части и хода иглы распылителя.

Практическая ценность.

1. Разработан и защищен патентом РФ на изобретение распылитель оригинальной конструкции с уменьшенными ходом, диаметром и длиной направляющей части иглы, а также с усовершенствованной образующей поверхности полости охлаждения под дифференциальной площадкой иглы в корпусе для снижения тепломеханической нагруженности направляющего прецизионного сопряжения.

2. Предложена и апробирована методика определения граничных условий гидродинамического и тепломеханического нагружений для оценки температурного, напряженно-деформированного состояния и износа направляющих прецизионных сопряжений распылителей различных конструкций.

3. Разработан и обоснован комплекс мероприятий по совершенствованию конструкции распылителя, направленный на снижение уровня его тепломеханической на-груженности и повышение ресурса прецизионных сопряжений.

4. Экспериментально установлена необходимость увеличения усилия затяжки пружины форсунки для обеспечения герметичности запирающего прецизионного сопряжения при уменьшении диаметра, длины направляющей части и хода иглы распылителя.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы использованы ООО «ГСКБ «Трансдизель» при разработке мероприятий по повышению технического уровня транспортных дизелей, в частности по совершенствованию конструкции (изменению геометрии) прецизионного сопряжения, развитию охлаждающей полости под дифференциальной площадкой иглы и увеличению числа наклонных топливоподводящих каналов в корпусе распылителя топлива с повышенным ресурсом. Анализ конструктивных особенностей и методика определения граничных условий теплового, гидродинамического и механического нагружения прецизионных сопряжений распылителя форсунки транспортных дизелей используется в учебном процессе кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета. Методика проведения экспериментальных исследований опытных распылителей использована НП «СЦ АТТ» при проведении исследований по оценке экономических и экологических показателей-транспортных дизелей.

На защиту выносятся перечисленные выше основные результаты, имеющие научную новизну и практическую ценность.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЧГАА (Челябинск, 2009-2011 г.г.); всероссийской научно-технической конференции СпбГПУ (Санкт-Петербург, 2009 г.); международной научно-технической конференции, посвященной 180 летию МГТУ им. Н.Э. Баумана «Двигатель-2010» (Москва, 2010 г.); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЮУрГУ (Челябинск, 2009-2011 г.г.);

Основные научные результаты получены лично автором или при непосредственном его участии в течение 2009-2011 г.г. в процессе выполнения:

1. Научно-исследовательских работ по гранту 2009-2011, П503 от 05.08.2009 «Теоретические основы методов разработки малотоксичного рабочего цикла и повышения ресурса основных трибосопряжений энергоэффективных двигателей внутреннего сгорания»;

2. Научно-исследовательских работ по гранту 2010-2012 № 16.740.11.0073 от 01.09.2010 «Совершенствование методов расчета сложнонагруженных и прецизионных трибосопряжений транспортных двигателей с учетом, гидродинамического и граничного режимов трения, тепломассообмена и неньютоновских свойств смазочных материалов». ,

Содержание диссертации. Диссертационная работа, рассматривающая задачу снижение тепломеханической нагруженности и износа направляющего прецизионного сопряжения совершенствованием конструкции распылителя топливной форсунки дизеля, состоит из введения^ пяти глав; заключения, библиографического списка и приложений.

Заключение

При улучшении эксплуатационных свойств дизелей особое внимание уделяется повышению ресурса топливоподающей аппаратуры, в частности распылителя форсунки, ресурс которого преимущественно определяется ресурсом прецизионных сопряжений. Определяющими причинами снижения ресурса прецизионных сопряжений являются два основных фактора: высокие тепломеханическая и гидродинамическая нагруженность. Температурные деформации, изменение зазоров в сопряжениях, снижение гидравлической плотности и скорости перемещения иглы являются следствием высоких температур направляющего прецизионного сопряжения распылителя. Потеря работоспособности распылителя, вследствие снижения гидравлической плотности и герметичности прецизионных сопряжений, обуславливается также износом и давлениями впрыскивания топлива.

Исследованиями в нашей стране и за рубежом определены предельные значения температур элементов распылителя, превышение которых сопровождается потерей работоспособности вследствие преждевременных износа прецизионных сопряжений и нагарообразований в распыливающих отверстиях. На тепловое состояние направляющего прецизионного сопряжения распылителя оказывает влияние множество факторов, среди которых можно выделить конструктивные особенности, интенсивность теплообмена с рабочими газами, тип охлаждения и тепловая защита.

Снижение температуры прецизионных сопряжений достигается интенсификацией локального охлаждения, изменением конструкции выступающей части корпуса, увеличением числа наклонных топливоподводящих каналов и развитием полости охлаждения под дифференциальной площадкой иглы распылителя. Одним из эффективных способов тепловой защиты выступающей части корпуса распылителя является экранирование с образованием закрытых воздушных полостей. Эффективность такого способа тепловой защиты оценена теоретически с использованием современных методов математического моделирования (метода конечных элементов).

135

Оценка изменения конструкции элементов направляющего прецизионного сопряжения и экранирования выступающей части корпуса распылителя математическим моделированием достоверна при учете граничных условий теплообмена. Последние включают особенности теплообмена в цилиндре дизеля, в воздушной полости под экраном, с топливом в топливных каналах и полостях, с элементами форсунки в местах контакта и поверхностях контакта элементов сопряжений. В теории теплопередачи накоплен достаточный опыт определения особенностей теплообмена газов и жидкостей с твердым телом, который адаптирован к условиям теплообмена в распылителе.

Работоспособность направляющего прецизионного сопряжения распылителя обуславливается характером контакта, нагрузкой, взаимоположением, формой и качеством поверхностей элементов, радиальным зазором, свойствами среды и степенью подвижности иглы.

Монтажные, а также рабочие механические и температурные, деформации вызывают повышенный износ поверхностей иглы и отверстия в корпусе распылителя. На интенсивность изнашивания оказывает существенное влияние характер контактировании при взаимном перемещении поверхностей элементов в сопряжении. При деформации корпуса и уменьшении радиального зазора появляется периодический контакт между иглой и корпусом, в результате чего возникает разрушение топливного слоя и трение становится граничным. В прецизионном сопряжении при граничном трении появляются различные фрикционные взаимодействия, результатом которых являются прогрессирующий износ, снижение подвижности и «зависание» иглы в корпусе распылителя.

Переменное по длине и в поперечной плоскости сечение радиального зазора и неравномерное распределение давления в топливном слое направляющего прецизионного сопряжения приводят к появлению неуравновешенной радиальной силы давления топлива на иглу. Для снижения механического воздействия на иглу радиальной силы, в условиях сохранения давления впрыскивания топлива, необходимо уменьшение температуры элементов сопряжения, диаметра и длины направляющей части иглы распылителя.

Изменение характера трения переходом к граничному вызывает повышенные напряжения и интенсивность изнашивания контактного слоя направляющего прецизионного сопряжения. Повышение ресурса направляющего прецизионного сопряжения при форсировании дизеля по частоте вращения коленчатого вала целесообразно снижением хода иглы распылителя, массы и ускорения движения подвижных частей форсунки.

Использование новой конструкции распылителя с уменьшенными диаметром до 4 мм и длиной до 10 мм направляющей части иглы и развитой полостью охлаждения в корпусе при повышенном среднем давлении впрыскивания до 75 МПа (максимальное давление впрыскивания при этом составляет 130 МПа) обеспечивает сохранение ресурса прецизионных сопряжений. Снижение хода иглы при этом в 1,5 раза пропорционально увеличивает ресурс направляющего прецизионного сопряжения распылителя при сохранении мощности дизеля.

На основании выполненных исследований разработан комплекс технических решений по совершенствованию конструкции и расчетно-экспериментальным методом оценен износ и ресурс направляющего прецизионного сопряжения распылителя. В результате создана новая конструкция распылителя, защищенная патентом РФ на изобретение.

В результате выполненного диссертационного исследования можно предложить следующие выводы и рекомендации:

1. Снижение тепломеханической нагруженности прецизионных сопряжений целесообразно обеспечивать дифференцированным воздействием: в направляющем - на конфигурацию, массу, геометрические параметры иглы и гидравлического тракта в корпусе, а в запирающем - на интенсивность теплообмена впрыскиваемого топлива со стержнем иглы и рабочих газов с корпусом распылителя.

2. Уменьшение диаметра, длины направляющей части и хода иглы достигается на основе учета взаимосвязи процессов гидродинамического и тепломеханического нагружения с интенсивностью изнашивания элементов прецизионного сопряжения распылителя, т.к. повышение температуры элементов распылителя приводит к уменьшению зазора, увеличению давления впрыскивания топлива и геометрической площади его воздействия.

3. Для обеспечения герметичности запирающего прецизионного сопряжения при уменьшении диаметра, длины направляющей части и хода иглы необходимо увеличение усилия затяжки пружины форсунки.

4. Установлено, что уменьшение диаметра с 6 до 4 мм и длины с 18 до 10 мм направляющей части иглы и увеличение числа наклонных топливных каналов в корпусе с 3 до 5 позволяет на 25% снизить максимальную температуру направляющего прецизионного сопряжения. Для сохранения ресурса прецизионных сопряжений при форсировании дизеля целесообразны пропорциональное уменьшение хода иглы и экранирование выступающей части корпуса распылителя.

5. Использование распылителей опытной конструкции в дизеле 4ЧН15/20,5 позволяет уменьшить удельный эффективный расход топлива на 2.6 г/кВт-ч, температуру отработавших газов на 30.50 °С и повышение (до 2 %) коэффициента приспособляемости по крутящему моменту.

6. Изменение геометрических параметров элементов направляющего прецизионного сопряжения сопровождается снижением линейной (на 15,5%) и массовой (на 68,5%) скоростей изнашивания иглы и корпуса опытного распылителя по сравнению со штатным распылителем. Повышение ресурса элементов направляющего прецизионного сопряжения в опытном распылителе при работе дизеля составляет около 76,5% в сравнении со штатным.

7. Результаты длительных испытаний дизеля свидетельствуют об уменьшении в 2 раза интенсивности снижения гидравлической плотности направляющего прецизионного сопряжения опытного распылителя в сравнении со штатным.

1. Грехов, JLB. Топливная аппаратура и системы управления дизелей Текст. / JI.B. Грехов, H.A. Иващенко, В.А. Марков. — М.: Легион Автодата, 2004. — 176 с.

2. Иванченко, H.H. Рабочий процесс дизелей с камерой в поршне Текст. / H.H. Иванченко, Б.Н. Семенов, B.C. Соколов. — JI.: Машиностроение, 1972. — 232 с.

3. Мозер, Франц К. Тенденции и решения в разработке коммерческих дизелей Текст. / Франц К. Мозер. Протвино: Материалы международной научно-технической конференции «Турбонаддув автомобильных и тракторных двигателей» 24-25 июня 2009.

4. Лазарев, Е.А. Основные принципы, методы и эффективность средств совершенствования процесса сгорания топлива для повышения технического уровня тракторных дизелей: монография Текст. / Е.А. Лазарев. — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010.-289 с.'

5. Иванченко, H.H. Проблемы топливной экономичности дизелей Текст. / H.H. Иванченко, Б.Н. Семенов // Экспериментальные и теоретические исследования по созданию новых дизелей и агрегатов. Л., 1980. - С. 4 - 12. - (Тр. ЦНИДИ).

6. Матиевский, Д.Д. Определение резервов повышения индикаторного КПД дизеля Текст. / Д.Д. Матиевский, В.Т. Толстов // Рабочие процессы компрессоров и двигателей внутреннего сгорания. — Л., 1980. С. 67 — 70. — (Тр. ЛПИ, № 370).

7. Смайлис, В.И. Современное состояние и новые проблемы экологии дизеле-строения Текст. / В.И. Смайлис // Двигателестроение. 1991. - № 1. - С. 3 - 6.

8. Звонов, В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания Текст. / В.А. Звонов. -М.: Машиностроение, 1981. 160 с.

9. Лиханов, В.А. Снижение токсичности автотракторных дизелей Текст. / В.А. Лиханов, A.M. Сайкин. М.: Колос, 1994. - 224 с.

10. Ю.Марков, В.А. Токсичность отработавших газов дизелей Текст. / В.А. Марков, P.M. Баширов, И.И. Габитов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 376 с.

11. Марков, В.А. Впрыскивание и распыливание топлива в дизелях Текст. / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.И. Мальчук. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. -341 с.

12. Файнлейб, Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: справочник. 2 изд. Текст. / Б.Н. Файнлейб. JL: Машиностроение, 1990. - 362 с.

13. Яманин, А.И. Расчет на прочность корпуса распылителя форсунки при переменных напряжениях Текст. / А.И. Яманин, В.В. Курманов, Д.А. Веселов // Двига-телестроение. 2003. -№ 1. — С. 29- 31.

14. Березин, И.Я. Сопротивление материалов. Усталостное разрушение металлов и расчеты на прочность и долговечность при переменных напряжениях Текст.: учебное пособие / И.Я. Березин, О.Ф. Чернявский. Челябинск: Изд - во ЮУрГУ, 2005.-76 с.

15. Русинов, Р.В. О надежности работы распылителей Текст. / Р.В.: Русинов, И.М. Герасимов, А.Г. Семенов // Двигателестроение. 2000. - № 3. — С. 16-17.

16. Лазарев, В.Е. Повышение ресурса распылителей топлива в дизелях«'снижением нагруженности и интенсивности изнашивания прецизионных сопряжений: монография Текст. / В;Е. Лазарев. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. -260 с.

17. Николаенко, А. В. Снижение тепловой напряженности распылителей форсунок дизелей за счет применения специальных покрытий Текст. / A.B. Николаенко, А.Т. Максимов, П.Е. Куницын // Двигателестроение. 1983. — № 2. - С. 3- 6.

18. A.c. СССР № 1534201, МКИ 6 F 02 М 53/04. Устройство для охлаждения распылителя топливной форсунки. — РЖ. — 1990.

19. Голев, В.И. Экспериментальное исследование температурных условий работы форсунки дизеля 8ЧН16,5/15,5 фирмы MTU Текст. / В.И. Голев, Н.П. Попов, С.А. Глумин // Двигателестроение. 1987. - № 4. - С. 58 - 61.

20. Агеев, Б.С. Тепловое состояние охлаждаемого распылителя форсунки ФД-45 дизеля 6ЧН26/34 Текст. / Б.С. Агеев, С.Н. Литвин, А.Г. Петренко // Двигателестроение. 1989.-№ 12.-С. 16-20.

21. Топливные форсунки и распылители современных автотракторных дизелей. РЖ. - 1990. Текст. / 2.39.307. Les porte-injecteurs et injeteurs // Rev. techn. Diesel, 1989. № 158.-C. 11 - 13, 15- 17, 19-20,22,24-25.

22. Патент РФ RU № 2105186, МПК7 6 F 02 V 53/04. Распылитель топливоподающей форсунки дизеля Текст. / В.Е. Лазарев, А.Н. Лаврик, Е.А. Лазарев, Г.П. Мицын, В.И. Кавьяров // Открытия. Изобретения. — 1998. — Бюл. № 5.

23. Патент РФ на полезную модель RU № 86668 U1, МПК F 02 М 49/00. Распылитель форсунки Текст. / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, Е.А. Лазарев // Открытия. Изобретения. 2009. - Бюл. № 25.

24. Haberland, Н. Schwarmintellgenz zur Optimierung von Einspritzdüsen Text. / H. Haberland, H. Gross-Loscher // MTZ. 2010. - Nr. 2. - S. 80 - 85.

25. Патент РФ на полезную модель RU № 98485 U1, МПК F02M 49/00. Распылитель форсунки Текст. / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, B.C. Мурзин, Е.И. Перцев, Е.А. Лазарев // Открытия. Изобретения. — 2010. Бюл. № 29.

26. Трусов, В.И. Форсунки автотракторных дизелей Текст. / В.И. Трусов, В.П. Дмитренко, Г.Д. Масляный. М.: Машиностроение, 1977. - 167 с.

27. Башта, Т.М. Машиностроительная гидравлика Текст. / Т.М. Башта. М.: Машиностроение, 1971. - 672 с.

28. Костин, А.К. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания Текст. / А.К. Костин, В.В. Ларионов, Л.И. Михайлов. Л.: Машиностроение, 1979. - 222 с.

29. Woschni, G. Eine Methode zur Vorausberechnung der Änderung des Brennverlaufs mittelschnellaufender Dieselmotoren bei geänderten Betriebsbedingungen Text. / G. Woschni, F. Anisitis // MTZ. 1973. - № 4. - S. 160 - 165.

30. Зайцев, JI.K. Исследование рабочего цикла при форсировании тракторного дизеля с использованием математического моделирования: дис. .канд. техн. наук: 05.04.02 Текст. / Зайцев Леонид Константинович. Челябинск, 1978. — 190 с.

31. Николаенко, A.B. Снижение тепловой напряженности и коксования распылителей форсунок дизеля 6ЧН 13/14 Текст. / A.B. Николаенко, A.A. Непомнящих, А.Т. Максимов // Двигателестроение. 1987. - № 11. - С. 42 - 46.

32. Михеев, М.А. Основы теплопередачи Текст. / М.А. Михеев, И.М. Михеева. М.: Энергия, 1977.-344 с.

33. Долинин, В.Н. Определение коэффициента теплоотдачи от стенки корпуса распылителя к топливу Текст. / В.Н. Долинин // Исследование теплопередачи в дизелях: сб. науч. тр. № 69. Л.: ЦНИДИ, 1975. - С. 54 - 61.

34. Астахов, И.В. Топливные системы и экономичность дизелей Текст. / И.В. Астахов, Л.Н. Голубков, В.И. Трусов. М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.

35. Астахов, И.В. Подача и распыливание топлива в дизелях Текст. / И.В. Астахов, В.И. Трусов, A.C. Хачиян. М.: Машиностроение, 1971. - 359 с.

36. Чайнов, Н.Д. Тепломеханическая напряженность деталей двигателей Текст. / Н.Д. Чайнов, В.Г. Заренбин, H.A. Иващенко. М.: Машиностроение, 1977. - 152 с.

37. Розенблит, Г.Б. Теплопередача в дизелях Текст. / Г.Б. Розенблит. М.: Машиностроение, 1977. -216 с.

38. Юдаев, Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача Текст. / Б.Н. Юда-ев. М.: Высшая школа, 1988. - 479 с.

39. Чернышев, Г.Д. Рабочий процесс и теплонапряженность деталей двигателей Текст. / Г.Д. Чернышев, A.C. Хачиян, В.И. Пикус. М.: Машиностроение, 1986. -216 с.

40. Чайнов, Н.Д. Моделирование напряженно-деформированного состояния и выбор элементов конструкции топливных форсунок форсированных транспортных дизелей Текст. / Н.Д. Чайнов, В.А. Рыжов, Л.Л. Мягков // Двигателестроение. -2004.-№2.-С. 18-19.

41. Федотов, Г.Б. К вопросу о деформациях корпусов распылителей форсунок тепловозных дизелей Текст. / Г.Б. Федотов, В.П. Шевлягин // Двигателестроение. — 1980.-№3.-С. 48 50.

42. Лазарев, Е.А. Особенности микрорельефа шероховатости поверхности иглы распылителя топлива в дизеле Текст. / Е.А. Лазарев, В.Е. Лазарев, М.И. Грамм // Транспорт Урала. 2008. - № 1(16). - С. 79 - 81.

43. Крагельский, И.В. Узлы трения машин: справочник Текст. / И.В. Крагель-ский, Н.М. Михин. М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

44. Польцер, Г. Основььтрения и изнашивания Текст. Пер. с нем. О.Н*.' Озерско-го, В.Н. Пальянова. / Г. Польцер, Ф. Майсснер. -М.: Машиностроение, 1984. -264 с.

45. Charron, F. Partage de la chaleur entre deux frottants / F. Charron // Pupl. scient, et. techn. Ministere air, 1943.

46. Дизельная топливная аппаратура. Оптимизация процесса впрыскивания, долговечность деталей и пар трения Текст. / В.Е. Горбаневский, В.Г. Кислов, P.M. Баширов, В.А. Марков. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996. 140 с.

47. Голев, В.И. Изнашивание запирающих конусов и прогнозирование ресурсов работы распылителя автотракторных дизелей / В.И. Голев, А.С. Русаков, P.M. Мо-хов // Двигателестроение. 1989. - № 12. - С. 20 - 23.

48. Сомов, В.А. Судовые многотопливные двигатели Текст. / В.А. Сомов, Ю.Г. Ищук. Л.: Судостроение, 1984. — 240 с.

49. Топливная аппаратура автотракторных двигателей Текст. / В.И. Кругов, В.Е. Горбаневский, В.Г. Кислов. -М.: Машиностроение, 1985. 208 с.

50. Микулин, Ю.В. Комплексное решение вопроса увеличения ресурса и повышения надежности топливной аппаратуры дизелей Текст. / Ю.В. Микулин // Двига-телестроение. 1986. -№ 10. - С. 58 - 60.

51. Лазарев, В.Е. Метод оценки интенсивности изнашивания и ресурса прецизионного сопряжения распылителя топлива в дизеле Текст. / В.Е. Лазарев, A.A. Ма-лоземов, В.Н. Бондарь // Двигателестроение. — 2007. № 3. - С. 26 - 29.

52. Патрахальцев, H.H. Методы и средства безразборного раскоксовьтания распылителей форсунок автобусных дизелей (в условиях Лимы, Перу) Текст. / H.H. Патрахальцев, Л.А. Ластра, K.M. Тапиа // Автомобильная промышленность. 2005. -№ 3. - С. 24-29.

53. Грин, A.A. Особенности теплообмена охлаждаемой форсунки дизеля.Текст. / A.A. Грин // Двигателестроение. 1989. - № 8. - С. 15-17.

54. Diesel Einspritztechnik / Bosch. Chefred.: Ulrich Adler. - 1. Ausgabe. -Dusseldorf: VDI - Verlag, 1993.-201 s.

55. Дубовкин, Н.Ф. Справочник по теплофизическим свойствам углеводородных топлив и их продуктов сгорания Текст. / Н.Ф. Дубовкин. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1962.-288 с.

56. Ждановский, Н.С. Надежность и долговечность автотракторных двигателей Текст. / Н.С. Ждановский, A.B. Николаенко. Л.: Колос, 1981. - 259 с.

57. Лазарев, В.Е. Параметры и характеристики распылителя, используемые при оценке причин снижения работоспособности топливной форсунки дизеля Текст. / В.Е. Лазарев // Челябинск: Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2003. -Вып. 3.-№ 1 (17). - С. 33-36.

58. Лышевский, A.C. Системы питания дизелей Текст. / A.C. Лышевский. — М.: Машиностроение, 1981. — 216 е.

59. Николаенко, A.B. Повышение надежности распылителей форсунок дизелей виброобкатыванием цилиндрической направляющей поверхности иглы Текст. / A.B. Николаенко, В.В. Беляков, В.Г. Аляпышев и др. // Двигателестроение. — 1979. -№ 4. С. 31 -33.

60. Петриченко, P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания Текст. / P.M. Петриченко. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1983. -244 с.

61. Самусь, Н.И. Повышение технического уровня распылителей форсунок ФД-22 Текст. / Н.И. Самусь, М.Г. Сандомирский // Двигателестроение. — 1987. № 2. -С. 43-45.

62. Топливные системы и экономичность дизелей Текст. / И.В. Астахов, Л.Н. Голубков, В.И. Трусов и др. М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.

63. Фомин, Ю.Я. Влияние степени износа распылителя форсунки на пусковые качества и экономичность дизелей Текст. / Ю.Я. Фомин, В.Г. Ивановский, В.И. Че-ремисин // ДВС. Харьков: Изд-во ХГУ, 1975. - Вып. 21. - С. 80 - 86.

64. Фомин, Ю.Я. Влияние диаметрального зазора в распылителе форсунки среднеоборотных дизелей на впрыск топлива Текст. / Ю.Я. Фомин, П.П. Петров, В.Г. Ивановский, В.Н. Долинин // Рабочие процессы дизелей. — Л.: Изд-во ЦНИДИ, 1975.-Вып. 67.-С. 85-96.