Повышение долговечности форсунок автотракторных дизелей модернизацией распылителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Повышение долговечности форсунок автотракторных дизелей модернизацией распылителей

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Надёжность, экономичность и устойчивость работы дизелей тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин зависят от надежности и совершенства топливной аппаратуры. На работу дизелей значительно влияет состояние топливоподающей системы, особенно ее прецизионных деталей. К одним из основных узлов топливоподающей системы относятся форсунки. Некачественная работа форсунок ведет к снижению ресурса дизеля, падению мощности, а порой и к выходу из строя других важнейших узлов двигателя. Наибольшее количество отказов дизелей, до 40%, происходит вследствие неисправностей топливных систем, из них до 80% отказов приходится именно на форсунки.

Надежность и долговечность форсунок обусловлены стабильностью показателей работы и безотказностью распылителей. В настоящее время наибольшее распространение получили форсунки закрытого типа с прецизионным дифференциальным клапаном (иглой), открывающимся против потока топлива. Существенным недостатком форсунок этого типа является их низкая надежность, ресурс распылителей составляет 2500-3000 моточасов, что в несколько раз ниже ресурса плунжерных пар топливных насосов высокого давления 6000-6500 моточасов и двигателя в целом. Изготовление прецизионных пар (плунжерные пары топливных насосов высокого давления, игла - корпус распылителя форсунки) является дорогостоящим и трудоемким процессом, это приводит к повышению стоимости изготовления топливной аппаратуры автотракторных дизелей.

Для увеличения надежности распылителей форсунок предложены форсунки клапанного типа, в которых прецизионная пара игла - корпус распылителя заменена беспрецизионным клапанным узлом. Сферический клапан имеет малую массу и открывается по потоку топлива, что способствует повышению надежности и долговечности форсунок. Однако форсунки клапанного типа не получили широкого распространения в топливных системах дизелей. Основным недостатком форсунок клапанного типа является большой объем полости между клапаном и распыливающими отверстиями, что способствует подтеканию топлива в конце процесса впрыска. Для уменьшения объема данной полости необходимо уменьшить массу подвижных деталей клапанного узла распылителей форсунок, ограничить максимальную высоту подъема клапана и установить вытеснитель топлива. В результате конструктивных изменений распылителей путем замены прецизионной пары на беспрецизионный сферический клапан существенно увеличивается ресурс форсунок без снижения качественных и количественных показателей смесеобразования и тем самым уменьшается стоимость изготовления распылителей форсунок.

Поэтому исследования, направленные на повышение долговечности распылителей форсунок с беспрецизионным клапанным узлом, открывающимся по потоку топлива, являются актуальными.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет» в рамках государственной темы №0120.0 601331 «Совершенствование топливных систем автотракторных дизелей».

Цель исследования - повышение долговечности форсунок путем увеличения ресурса распылителей за счет применения беспрецизионного клапанного узла, открывающегося по потоку топлива.

Объект исследования - процесс изнашивания распылителей форсунок с беспрецизионным клапанным узлом, открывающимся по потоку топлива.

Предмет исследования - закономерности влияния беспрецизионного клапанного узла форсунок на скорость износа распылителей.

Научная новизна:

– обосновано повышение долговечности форсунок автотракторных дизелей путем увеличения ресурса распылителей при применении беспрецизионного клапанного узла, открывающегося по потоку топлива;

– обоснованы рациональные конструктивные и регулировочные параметры распылителей форсунок с беспрецизионным клапаном, открывающимся по потоку топлива. Новизна защищена тремя патентами на полезную модель;

– разработана математическая модель формирования долговечности форсунок в процессе износа беспрецизионного клапанного узла распылителей, открывающегося по потоку топлива.

На защиту выносятся:

– зависимость изменения площади проходного сечения между клапаном и седлом распылителей от времени наработки форсунок;

– зависимость изменения гидравлической плотности беспрецизионного клапанного узла распылителей от времени наработки форсунок.

Практическая значимость. Применение форсунки с беспрецизионным клапаном, открывающимся по потоку топлива, позволяет уменьшить напряжения в поверхностном слое запорного узла распылителя, уменьшить массу подвижных деталей форсунки и тем самым увеличить ее ресурс в два раза.

Реализация работы. Разработаны опытные образцы усовершенствованных форсунок, которые были установлены на два трактора МТЗ-80 в КФХ «Виктория» Кормиловского района Омской области и находились в эксплуатации в течение 900 моточасов. Программа расчета процесса изнашивания распылителей на персональной ЭВМ, а также установка для осциллографирования параметров топливоподачи системой питания дизельного двигателя включены для использования в учебном процессе факультета технического сервиса в АПК ОмГАУ.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ОмГАУ в 2005-2009 годах, на научно-технической конференции, посвященной 55-летию факультета технического сервиса в АПК ОмГАУ в 2005 году, на Международной научно-практической конференции НГАУ «Перспективные технологии и техническое обеспечение АПК» в 2006 году, на Международном научно-техническом форуме ОмГАУ «Реализация Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия: инновации, проблемы, перспективы» в 2009 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 1 статья в рецензируемых ВАК РФ изданиях и получены 3 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, библиографического списка и приложений. Объем работы составляет 127 страниц, из них 114 страниц основного текста, 38 рисунков, 6 таблиц. Библиографический список включает 123 источника, в том числе 7 на иностранном языке.

Содержание работы

форсунка распылитель топливо клапанный

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, дано ее краткое содержание, сформулирована цель исследования, научная новизна, практическая ценность, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» дан анализ исследований по изучению процесса изнашивания применительно к прецизионным деталям топливоподающей аппаратуры. Охарактеризованы основные виды износов прецизионных поверхностей распылителей, а также их влияние на процесс топливоподачи.

Изучению процесса изнашивания деталей машин в общем и применительно к распылителям форсунок автотракторных дизелей посвящены работы В.В. Антипова, М.А. Бабичева, Н.И. Бахтиярова, Д.Ф. Гуревича, В.Е. Горбаневского, Б.И. Костецкого, И.В. Крагельского, П.М. Кривенко, В.Я. Попова, А.И. Селиванова, М.М. Ташпулатова, В.И. Трусова, Б.Н. Файнлейба и других авторов.

Анализ исследований показал, что долговечность форсунок определяется ресурсом распылителя. Одним из основных факторов, влияющих на износ распылителя, является ударная нагрузка клапана о седло распылителя и гидроабразивное изнашивание как конических запирающих поверхностей, так и цилиндрической направляющей поверхности иглы и корпуса распылителей. Исследованиями установлено, что топливные фильтры на автотракторных дизелях не обеспечивают достаточной степени очистки топлива от механических примесей (абразивов) и воды, которые затем проникают к прецизионным деталям топливоподающей аппаратуры. В сельском хозяйстве на сегодняшний день используют топливные фильтры тонкой очистки, обеспечивающие тонкость отсева в начале эксплуатации в пределах 4-5 мкм. При дальнейшей эксплуатации в пыльных условиях тонкость отсева фильтров тонкой очистки ухудшается и составляет более 7-9 мкм.

Исследованиями установлено, что износ поверхности иглы и корпуса распылителя имеет, как правило, местный характер и возникает в основном на запорном конусе и прецизионной направляющей цилиндрической поверхности. При этом в большей мере изнашивается запорный конус иглы, так как запорная поверхность конуса иглы воспринимает ударную нагрузку от пружины форсунки и дополнительно испытывает абразивное действие твердых частиц, находящихся в топливе. Ударную нагрузку иглы от пружины форсунки 100-120 МПа воспринимает малый притертый поясок, шириной 0,2-0,3 мм на запорном конусе иглы и запорной фаске корпуса распылителя, это приводит к деформации микронеровностей поверхностей сопряжения запорного конуса. Металл при знакопеременной нагрузке претерпевает наклёп, поверхность его уплотняется, а затем наступает процесс усталости, при этом микрообъёмы металла отстают, шелушатся, а проходящее с большой скоростью топливо вместе с твердыми абразивными частицами в момент впрыска смывает их. Коническая поверхность запорного конуса иглы изнашивается неравномерно: 70-80 мкм на диаметр средней части, 55-60 мкм нижнее основание и 40-45 мкм - верхнее. В результате износа от ударной нагрузки запорная поверхность иглы принимает седлообразную форму.

Направляющая поверхность иглы и корпуса распылителя изнашивается в основном от действия механических частиц, в результате цилиндрическая поверхность становится конической. Наличие на ней глубоких продольных рисок подтверждает абразивное действие взвешенных в топливе механических частиц, попадающих в зазор при движении иглы вверх, в момент ее подъема. Так как твердые частицы попадают с нижней стороны иглы, то здесь они наносят более глубокие царапины. По мере продвижения абразивов вверх по зазору кромки их грани затупляются и режущая способность утрачивается. Поэтому к верхней части иглы глубина бороздок уменьшается.

Анализ работ по исследованию гидроплотности распылителей форсунок закрытого типа выявил, что основным местом локального износа, определяющим долговечность распылителя, является запорный конус. Доля утечек в зоне запорного конуса распылителя в среднем составляет 70% и 30% - в зоне цилиндрической направляющей поверхности распылителя.

Форсунки клапанного типа имеют ряд преимуществ по сравнению с закрытыми форсунками по требованиям к минимизации массогабаритных показателей, стоимости изготовления и ремонта. Распылители клапанных форсунок не имеют в своей конструкции прецизионной направляющей цилиндрической поверхности, в качестве запорного органа используется сферический (шариковый) клапан, имеющий небольшой ход. Однако ввиду большого объема полости между клапаном и распыливающими отверстиями распылителя широкого применения форсунки клапанного типа не получили.

Анализ исследований износа распылителей форсунок дают основание выдвинуть гипотезу: долговечность форсунок можно увеличить применением беспрецизионного клапанного узла с малой массой подвижных деталей, открывающегося по потоку топлива, не ухудшая при этом характеристики процесса топливоподачи.

Для реализации поставленной цели намечено решение следующих задач:

1. Провести сравнительный анализ долговечности форсунок в процессе эксплуатации.

2. Разработать математическую модель оценки изменения ресурса форсунок в результате износа беспрецизионного клапанного узла распылителей.

3. Обосновать рациональные параметры форсунок с беспрецизионным клапанным узлом, открывающимся по потоку топлива.

4. Оценить долговечность и экономическую эффективность предлагаемой конструкции распылителей форсунок с шариковым запорным клапаном, открывающимся по потоку топлива.



Рис. 1. Принципиальная схема распылителя форсунки с запорным шариковым клапаном: 1 - запорный шарик, 2 - стакан, 3 - грибок, 4 - пружина, 5 - корпус распылителя

Во второй главе «Теоретические основы исследования механизма изнашивания сопряжения запорное устройство - седло форсунок» исследованы закономерности изменения гидравлической плотности от времени наработки распылителей форсунок и разработана программа расчета, позволяющая проанализировать развитие износа клапанного узла форсунок в процессе их эксплуатации.

На рис. 1 представлена принципиальная схема распылителя форсунки с запорным шариком.

При работе форсунки клапан 1 закрывает проходное сечение форсунки путём посадки в стакан 2. При этом происходит удар клапана о поверхность стакана 2. В результате удара происходит износ клапанного узла распылителя, что приводит к изменению микрогеометрии поверхности сопряжения между шариком и седлом стакана. Изменение микрогеометрии непосредственно отражается на величине проходного сечения между клапаном и седлом, утечках топлива и, как следствие, вызывает изменение гидравлической плотности форсунки.

Износ клапанного узла распылителей форсунок имеет три ярко выраженных этапа: приработки, нормальной работы и ускоренного износа. В этой связи нами сформулированы следующие предложения, позволяющие атрибутивно описать процесс потери гидравлической плотности форсунок на каждом из этапов:

1. На этапе приработки микронеровности поверхностей сопряжения клапана и седла уменьшаются за счет пластической деформации выступов микронеровностей, при этом площадь проходного сечения между клапаном и седлом уменьшается, а гидравлическая плотность форсунок увеличивается.

2. Второй этап - этап работы форсунки на приработанном сопряжении. В этом случае проходное сечение между клапаном и седлом минимально и гидравлическая плотность форсунки максимальна.

При одиночном ударе клапана о седло по поверхности контакта в очень тонком слое толщиной Н_у = 20…60 мкм возникают напряжения, эпюру которых можно условно представить так, как показано на рис. 2. При увеличении циклов ударов в этом же поверхностном слое возникают трещины, как показано на рис. 3.

Рис. 2. Напряжения, возникающие при посадке шарика на седло: 1 - шариковый клапан, 2 - седло, - толщина поверхностного слоя, в котором действуют напряжения от удара



Рис. 3. Образование микротрещин в поверхностном слое клапана и седла по линии контакта: 1 - шариковый клапан, 2 - седло

При дальнейшей работе форсунок происходит накопление энергии и происходит выход трещины на поверхность примыкающих к подножью выступов. Так как образовавшаяся поверхность контакта практически не изменяется, а происходит образование каверн непосредственно у основания выступов, т.е. во впадинах проходное сечение увеличивается, и, как следствие, происходит постепенное снижение гидравлической плотности распылителя, частично износ компенсируется небольшим углублением посадкой шарикового клапана на седло вследствие увеличения линии контакта. В связи с тем, что к данному моменту времени накопление энергии в поверхностном слое незначительно, количество каверн и их размеры незначительны, что приводит к изменению только микрогеометрии поверхностей сопряжения клапана и седла и проходное сечение между соударяющимися телами меняется незначительно.

3. На третьем этапе накопленная в поверхностном слое энергия приводит к усталостному разрушению поверхностного слоя деталей клапанного узла распылителей. Происходит образование и развитие трещин и, как следствие, отслоение значительной части поверхностного слоя, и образование в данном месте больших углублений, что способствует резкому увеличению площади проходного сечения и снижению гидравлической плотности распылителей форсунок.

Для качественной оценки изменения гидравлической плотности вследствие износа теоретически получены зависимости для описания изменения зазора между клапаном и седлом распылителей форсунок на всех трех этапах.

Для определения изменения площади проходного сечения на участки приработки эта зависимость имеет вид:

, (1)

где S₀ - исходная площадь проходного сечения, м²;

к - коэффициент пропорциональности;

Я - доля энергии, затрачиваемая на пластическую деформацию;

с - жёсткость пружины, ;

Н - высота подъёма запорного устройства, м;

- масса подвижных деталей форсунки, кг;

- ускорение земного тяготения, ;

- число оборотов коленчатого вала двигателя, мин^-1;

t - время работы распылителя, ч;

- высота деформации микронеровности, ;

- предел упругости материала, МПа;

- исходная опорная поверхность, ;

, , - коэффициенты.

Анализ зависимости (1) показывает, что при постоянстве энергии удара с увеличением происходит пластическая деформация микронеровностей, что приводит к уменьшению высоты микронеровностей и уменьшению площади проходного сечения между клапаном и седлом распылителей форсунок. Эта формула справедлива для участка приработки распылителя, который ограничивается условием , где к_в - коэффициент, характеризующий отношение напряжений в поверхностном слое к предельным напряжениям пластической деформации (/ =).

Для участка нормальной работы клапанного узла распылителей форсунок получена зависимость, характеризующая закономерность изменения площади проходного сечения между клапаном и седлом форсунки в процессе наработки, записываемая в виде:

, (2)

где Т_к - площадь поверхности контакта у основания микронеровностей, м²;

- допускаемая величина предела выносливости материала, МПа;

ф - тактность двигателя;

- экспериментально определяемые коэффициенты;

к₂ - коэффициент, равный

, (3)

где к₁, щ, ч - коэффициенты.

Изменение площади проходного сечения на третьем участке определяется по формуле:

, (4)

где k_-1 - коэффициент, характеризующий отношение напряжения выносливости материала от ударов клапана по седлу к допускаемой величине предела выносливости материала, МПа;

k₃ - коэффициент, определяемый по формуле .

Гидравлическая плотность форсунок на участке приработки определяется по формуле:

, (5)

где у_в - напряжение, возникающее при контакте микронеровностей МПа;

- объём поверхностного материала, в котором накапливаются напряжения, .

В формуле (5) величина А определяется по выражению:

, (6)

где - удельный вес испытываемого топлива, ;

- коэффициент сжимаемости испытываемого топлива, м²/Н;

- условный объём вытекающего из прибора топлива, м³;

- среднее значение кинематической вязкости топлива для диапазона давлений и , м²/с;

- коэффициент, учитывающий линию контакта L и радиальный зазор между клапаном и седлом форсунки, определяется по формуле

. (7)

На участке нормальной эксплуатации гидравлическая плотность распылителя форсунки будет иметь вид:

. (8)

Зависимости для определения площади проходного сечения (2) и гидравлической плотности распылителей форсунок (8) на участке нормальной эксплуатации справедливы до k_-1 = 1.

На участке повышенного износа изменение гидравлической плотности можно аппроксимировать следующим выражением

, (9)

где - гидравлическая плотность на втором участке при к_-1 = 1;

l - экспериментальный коэффициент;

- текущее значение наработки на участке повышенного износа;

- значение наработки при коэффициенте упругости к_-1 = 1.

Расчётная кривая изменения гидравлической плотности распылителей форсунок по данным формулам представлена на рис. 4.



Рис. 4. Изменение гидравлической плотности клапанного узла распылителей форсунок с шариковым клапаном: с = 65 Н/м; m = 0,0023 кг; Н = 0,00012 м, в = 0,5; ; Па

Кривая на рис. 4 качественно даёт представление об изменении гидравлической плотности между клапаном и седлом в процессе эксплуатации форсунки.

Расчеты показали, что изменение гидравлической плотности от времени наработки распылителей форсунок зависят от массы, хода клапана и усилия предварительного натяжения пружины.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» описаны программа, общие и частные методики экспериментальных исследований, применяемая измерительная аппаратура и оборудование.

Экспериментальные исследования топливной системы с разработанными форсунками проводились в три этапа:

- исследование характеристики процесса подачи топлива на безмоторной установке с регистрацией параметров топливоподачи осциллографированием;

- стендовые ускоренные сравнительные износные испытания экспериментальных и базовых, серийно выпускаемых форсунок ФД-22;

- моторные испытания экспериментальных форсунок на двигателе Д-240.

Исследования характеристик впрыска топливной системы с экспериментальными форсунками проводили на установке для осциллографирования на базе 12-канального усилителя. Установка входит в состав тензометрической станции УТС1-ВТ-12/35 на несущей частоте 35кГц. Установку оборудовали платой аналого-цифрового преобразователя ЛА-2М5, устанавливаемой в ISA шину материнской платы персонального компьютера. Для подавления гармоник несущей частоты усилителя был разработан и установлен между усилителем и аналого-цифровой регистрирующей системой электронный полосовой фильтр.

В качестве датчиков давления топлива перед форсункой и перемещения клапана распылителя форсунки использовались тензодатчики и индуктивные датчики конструкции ЦНИТА и ОмГАУ.

Опыты проводились с трехкратной повторностью, и результаты исследований сравнивались с аналогичными данными, полученными при испытании серийной топливной системы двигателя Д-240 с насосом УТН-5 и форсунками ФД-22. Обработка осциллограмм производилась на ПК с помощью математической программы Mathcad. Осциллограммы в виде массивов данных загружались в программную среду Mathcad, где с помощью встроенной функции Гаусса происходило их сглаживание путем усреднения интервалов по пяти точкам.

Для сравнения износостойкости клапанных узлов распылителей форсунок проведены сравнительные ускоренные стендовые испытания, в соответствии с которыми на стенд устанавливались одновременно опытная и серийная форсунка, благодаря чему обеспечивалась идентичность условий их испытания (рис. 5). Для увеличения цикличности работы клапанных узлов использовались разделители подачи топлива 15, установленные перед форсунками 13 и 14, каждый разделитель подсоединен к двум секциям топливного насоса высокого давления 1.

Метод ускоренных испытаний разработан в ЦНИТА, с целью прогнозирования технического моторесурса распылителей. Он позволяет дать сравнительную оценку износостойкости экспериментальных распылителей с базовыми.

При испытаниях использовалось топливо, «запыленное» кварцевыми тонкими микропорошками зернистостью 3-14 мкм до концентрации 50 г. абразива на 1 т топлива. Необходимая зернистость получена путем соединения в одинаковой массовой пропорции микропорошков М5, М7, М10 и М14 по ГОСТ 3647-80.

Согласно методике ЦНИТА один час работы топливной аппаратуры в данных условиях соответствует 50 часам работы в условиях реального сельскохозяйственного производства.

Рис. 5. Схема износного стенда ускоренных сравнительных испытаний: 1 - топливный насос высокого давления УТН-5; 2 - стенд для проверки и регулировки топливной аппаратуры КИ-921М; 3 - общая ёмкость с загрязненным алмазной пастой дизельным топливом; 4 - штуцер забора топлива; 5 - топливоподкачивающий насос низкого давления УТН двигателя Д-240; 6 - манометр контроля давления в подкачке; 7 - шланг слива топлива из ванны с мензурками стенда; 8 - топливопровод подачи топлива в полость питания серийного насоса УТН-5 позиции 1; 9 - топливопровод отвода топлива из питающей полости серийного насоса УТН-5 через демпфирующий клапан насоса; 10 - тахометр стенда; 11 - мерительные мензурки; 12 - мерительная мензурка с краном для слива топлива; 13 - серийная форсунка ФД-22 двигателя Д-240; 14 - экспериментальная форсунка клапанного типа; 15 - разделители подачи топлива; 16 - электродвигатель стенда КИ - 921М

Все испытание разбивалось на этапы продолжительностью по 10 ч, по истечении которых топливная система непродолжительное время работала на чистом топливе, для контролирования состояния распылителей со стенда снимались испытываемые форсунки, производились замеры исследуемых показателей: значения гидравлической плотности, герметичности клапанного узла распылителей и качества распыливания топлива. После окончания двух этапов производили замену плунжерных пар и регулировку топливного насоса высокого давления УТН-5.

В качестве наиболее объективного показателя процесса износа распылителей во время сравнительных износных испытаний была принята оценка по показателю снижения гидравлической плотности форсунок, при котором нет необходимости извлекать распылители из корпуса форсунок.

С целью исследования работы двигателя, оснащенного системой питания с экспериментальными форсунками, проведены стендовые моторные испытания на электротормозном стенде RAPIDO, с загрузкой двигателя Д-240 через вал отбора мощности трактора МТЗ-82. Испытания проводились в ФГУ «Сибирская государственная зональная машиноиспытательная станция» Таврического района Омской области, согласно ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний» с построением внешней регуляторной характеристики работы дизеля, оснащенного серийными и экспериментальными форсунками закрытого типа, и определением основных мощностных и экономических показателей работы дизеля Д-240.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» изложены и проанализированы результаты экспериментальных исследований.

В результате исследований процесса топливоподачи с экспериментальными форсунками осциллографированием основных параметров характеристики впрыска топлива были обоснованы конструктивные параметры клапанных узлов экспериментальных форсунок, обеспечивающие характеристику впрыска аналогичную по своим основным показателям серийным форсункам ФД-22. Величина предварительного натяжения пружины клапана составляет F_пр.ш = 30-40 Н, при жесткости пружины у_пр = 55-65 Н/м и массе клапана М_кл = 0,13 г.

Продолжительность впрыска топливным насосом УТН-5 с экспериментальными форсунками составила 12,5° поворота вала насоса при нарастании давления в полости распылителя 8,1 МПа за один градус поворота вала насоса. Приведенные показатели динамики процесса топливоподачи были получены при частоте вращения вала топливного насоса 1100 мин^-1 и цикловой подаче, равной 69 мм³ за один цикл. Зависимость хода клапана от величины цикловой подачи приведена на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость параметров процесса впрыска от цикловой подачи при частоте вращения 1100 мин^-1:

- -? - -?- - серийные форсунки ФД-22; -Д-Д- - экспериментальные форсунки; 1 - ход иглы и шарикового клапана распылителей; 2 - продолжительность впрыска

Из графика следует, что продолжительность впрыска серийных и экспериментальных форсунок практически одинаковая и увеличивается от 1,0 до 3,2·10^-3с. Малая величина хода клапана 0,13 мм при цикловой подаче 80 мм³/цикл, объясняется незначительным дросселированием топлива по сопряжению клапан - седло. Так, при открытии клапана на 0,09 мм проходное сечение между седлом и клапаном становится равным эффективному проходному сечению сопловых отверстий распылителя.

Сравнительные стендовые износные испытания экспериментальных и серийных форсунок ФД-22 установили превышение износостойкости экспериментальных распылителей, работающих на форсунках ФД-22, более чем в два раза в сравнении с серийными распылителями. Это объясняется отсутствием в экспериментальных распылителях прецизионной направляющей поверхности клапана распылителя и большой массы подвижных деталей клапанного узла (иглы, штанги и 1/3 массы пружины), вызывающего в распылителях серийных форсунок большую ударную нагрузку на запорный конус распылителя, гидроабразивное и кавитационное изнашивание прецизионной направляющей поверхностей иглы и корпуса распылителя (рис. 7).

Рис. 7. Графики снижения гидравлической плотности экспериментальных и серийных распылителей форсунок в зависимости от времени работы при стендовых ускоренных сравнительных износных испытаниях

Ускоренные стендовые сравнительные износные испытания проводились в трехкратной повторности. В результате экспериментальная погрешность в определении гидравлической плотности на участке приработки составляет 6,11%, коэффициент вариации - 0,0312. Погрешность формулы (5) на участке приработки при определении гидравлической плотности форсунок с беспрецизионным клапанным узлом составляет 8,64%.

Погрешность в определении гидравлической плотности на участке нормальной работы форсунки составляет 4,73%, коэффициент вариации - 0,0242. Погрешность формулы (8) на участке нормальной работы при определении гидравлической плотности форсунок с беспрецизионным клапанным узлом составляет 0,69%.

При обработке экспериментальных данных определили значение коэффициентов и и у_-1, входящих в зависимость (5), для определения изменения гидравлической плотности от времени наработки распылителя форсунки.

Коэффициент и, учитывающий линию контакта и радиальный зазор между клапаном и седлом форсунки, равен 4,2·10¹⁰ м^-1, при этом коэффициент вариации составил 0,075.

Для описания изменения напряжения выносливости материала от ударов клапана по седлу распылителя у_-1 от времени наработки форсунки была использована зависимость

, (10)

где ж, у и з - экспериментально определяемые коэффициенты.

С учётом полученных значений у_-1 были получены следующие значения коэффициентов: ж = 0,307692, у = 0,044119 и з = 0,001. Погрешность в определении у_-1 равна 1,17%.

При установке экспериментальных форсунок ФД-22 на двигатель Д-240 были сняты мощностные и экономические показатели дизеля по внешней регуляторной характеристике, полностью аналогичные характеристикам работы дизеля со штатными форсунками. Это обстоятельство объясняется идентичностью характеристики впрыска опытных и серийных форсунок, которая главным образом определяется величиной проходного сечения распыливающих отверстий, и тщательной регулировкой системы питания перед постановкой на дизель.

В пятой главе диссертационной работы проведен анализ экономического эффекта от внедрения форсунок данного типа для сельскохозяйственного предприятия. Расчеты показывают, что затраты от переоборудования форсунок ФД-22 беспрецизионным клапанным узлом при увеличении ресурса распылителей в два раза окупаются за 0,96 года. Годовая экономия для парка из 20 тракторов типа МТЗ 80/82 составляет 576 рублей.

Общие выводы

форсунка распылитель топливо клапанный

1. В результате анализа имеющихся научных работ установлено:

– долговечность форсунок определяется ресурсом распылителя;

– основными местами локального износа распылителя форсунок закрытого типа, определяющими его ресурс, являются цилиндрическая направляющая поверхность и запорный конус иглы и корпуса распылителя;

– существуют форсунки клапанного типа, в которых используется беспрецизионные сферические клапаны, открывающиеся по потоку топлива, и у которых масса подвижных деталей значительно меньше, чем у форсунок закрытого типа. Однако данный вид форсунок не получил широкого распространения вследствие несовершенной конструкции и малых исследований как по показателям надежности, так и по параметрам процесса топливоподачи.

2. Предложена конструкция форсунки закрытого типа, в распылителе которой в качестве запорного узла используется беспрецизионный сферический клапан, открывающийся по потоку топлива.

3. Разработана математическая модель оценки изменения ресурса форсунок, учитывающая конструктивные и регулировочные параметры, материал деталей клапанного узла распылителей. Установлено, что распылители форсунок ФД-22 при применении шарикового запорного клапана имеют в два раза больший ресурс, чем серийные распылители с прецизионным клапаном - иглой.

4. Обоснованы рациональные параметры экспериментальных форсунок, обеспечивающие необходимые показатели характеристики топливоподачи и качество распыливания топлива: величина предварительного натяжения пружины клапана F_пр.ш = 30-40 Н, при жесткости пружины у_пр = 55-65 Н/м и массе клапана М_кл = 0,13 г.

Продолжительность впрыска топливным насосом УТН-5 с данными параметрами экспериментальной форсунки составила 12,5° поворота вала насоса при нарастании давления в полости распылителя 8,1 МПа за один градус поворота вала насоса. Приведенные показатели получены на частоте вращения вала топливного насоса 1100 мин ^-1 и цикловой подаче, равной 69 мм³, что соответствует показателям характеристики топливоподачи с серийными форсунками.

6. Определены показатели работы дизеля с усовершенствованными форсунками по внешней регуляторной характеристике. Номинальный эффективный расход топлива двигателем Д-240 при работе на экспериментальных форсунках составил 258 г./кВт·ч, что соответствует значениям расхода топлива при работе на штатной топливной аппаратуре и данным, заявленным в паспорте двигателя.

7. Сравнительные износные испытания показали, что долговечность предложенной конструкции распылителя превышает долговечность форсунок с серийными распылителями более чем в два раза.

8. Затраты от переоборудования форсунок ФД-22 беспрецизионным клапанным узлом при увеличении ресурса распылителей в два раза окупаются за 0,96 года.

Рекомендации производству

Форсунки с беспрецизионным клапанным узлом, открывающимся по потоку топлива, рекомендуются для применения как при изготовлении новых дизельных двигателей, так и при их ремонте в хозяйствах.

В условиях эксплуатации рекомендуются следующие параметры: предварительное натяжение пружины клапана 30-40 Н при жесткости пружины 55-65 Н/м, диаметр сферического клапана 1,588 мм, ход клапана 0,13 мм, давление впрыска 14,0⁺⁵ МПа.

Основные публикации по теме диссертации

1. Ковалев Л.Г. Перспективы применения клапанно-сопловых форсунок в автотракторных дизелях / Л.Г. Ковалев, Т.Ю. Гурин // Совершенствование технологий, машин и оборудования в АПК: сб. науч. тр. - Омск: Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2006. - 324 с.: ил.

2. Ковалев Л.Г. Моторные испытания клапанно-сопловой форсунки / Л.Г. Ковалев, Т.Ю. Гурин // Совершенствование технологий, машин и оборудования в АПК: сб. науч. тр. - Омск: Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2006. - 324 с.: ил.

3. Ковалев Л.Г. Сравнительные исследования эксплуатационных показателей форсунок закрытого и клапанного типа автотракторных дизелей / Л.Г. Ковалев, С.Б. Спиридонов, Т.Ю. Гурин // Материалы Международного научно-технического форума «Реализация Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия: инновации, проблемы, перспективы» (26-27 февр. 2009 г.) / М-во сел. хоз-ва Рос. Федерации, ФГОУ ВПО «Ом. гос. аграр. ун-т». - Омск, 2009. - Ч. 1. - С. 319-321.

4. Пат. №60147 U1 Российская Федерация, МПК⁷ F02M 61/08., Форсунка. / Л.Г. Ковалев, С.Б. Спиридонов, Т.Ю. Гурин; заявитель и патентообладатель Федер. гос. образоват. учреждение высш. профессион. образования Ом. гос. аграр. ун-т. - №2006121505/22; заявл. 16.06.2006; опубл. 10.01.07, Бюл. №1. - 2 с.: ил.

5. Пат. №73404 U1 Российская Федерация, МПК⁷ F02M 61/20. Форсунка для впрыска топлива / Л.Г. Ковалев, Т.Ю. Гурин; заявитель и патентообладатель Федер. гос. образоват. учреждение высш. профессион. образования «Ом. гос. аграр. ун-т». - №2008100510/22; заявл. 09.01.2008; опубл. 20.05.2008, Бюл. №14. - 2 с.: ил.

6. Пат. №77359 U1 Российская Федерация, МПК⁷ F02M 61/08. Форсунка для двигателя внутреннего сгорания / Л.Г. Ковалев, Т.Ю. Гурин, С.Б. Спиридонов; заявитель и патентообладатель Федер. гос. образоват. учреждение высш. профессион. образования «Ом. гос. аграр. ун-т». - №2008114451/22; заявл. 14.04.2008; опубл. 20.10.2008, Бюл. №29. - 2 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru