Содержание к диссертации
Введение
1 Особенности работы топливной аппаратуры дизелей на водотопливных эмульсиях . 7
1.1 Использование ВТЭ - эффективный метод улучшения основных показателей дизелей 7
1.2 Работа топливной аппаратуры на ВТЭ 9
1.3 Выбор метода расчёта процесса топливоподачи. 16
1.4 Выводы по обзору. Постановка задач дальнейшего исследования 19
2 Теоретическое исследование процесса топливоподачи при использовании ВТЭ . 21
2.1 Общие сведения о методе расчёта топливоподачи 21
2.2 Оценка исходных данных для расчёта процесса топливоподачи 34
2.2.1 Нахождение физических свойств ВТЭ, которые определяют процесс подачи топлива 34
2.2.2 Оценка геометрических и других исходных данных для расчета топливоподачи 38
2.2.3 Анализ результатов вычислительного эксперимента 40
2.3 Основные результаты исследования. Выводы 52
3 Экспериментальное исследование работы топливной аппаратуры дизелей на ВТЭ : 54
3.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов 54
3.2 Зависимость параметров топливоподачи от количества водной фазы во ВТЭ 58
3.3 Влияние давления в системе гидрозапора форсунок на параметры топливоподачи и экономичность дизеля 61
3.4 Влияние подогрева водотопливной эмульсии на эксплуатационные показатели топливной аппаратуры дизеля 63
3.5 Основные результаты исследования. Выводы 65
4 Трибологические аспекты работы топливной аппаратуры дизеля на эмульгированном топливе 66
4.1 Методика определения износов деталей дизеля 66
4.2 Исследование изнашивания деталей топливной аппаратуры на машине трения МТ- 1 67
4.3 Исследование коэффициента трения пар материалов ТНВД на машине трения МИ-1 70
4.4Исследование изнашивания деталей топливной аппаратуры дизеля на топливном стенде 75
4.5 Основные результаты исследования
Выводы 77
Заключение 79
Литература
- Работа топливной аппаратуры на ВТЭ
- Оценка исходных данных для расчёта процесса топливоподачи
- Зависимость параметров топливоподачи от количества водной фазы во ВТЭ
- Исследование изнашивания деталей топливной аппаратуры на машине трения МТ-
Введение к работе
В условиях рыночной экономики остро стоит вопрос об энергетической составляющей в затратах:на производство и реализацию продукции, работ, услуг, в том числе ив транспортном секторе страны. Это объясняется тем, что цены на топливо весьма высоки и продолжают быстро расти;
На водном транспорте широкое; распространение получили дизельные Ф энергетические установки; которые потребляют большое количество дефицит ных и дорогих,нефтепродуктов; (дизельное топливо, моторные масла и др.). Сокращение расходов последних представляет собой весьма актуальную задачу для речного флота. Одним из путей рационального использования горючесмазочных материалов в дизельных установках является применение водотоп-ливных эмульсий (ВТЭ). Как установлено многочисленными исследованиями, при этом:
11 Можно существенно сократить расходы топлива и смазочного масла.
2. Происходит снижение теплонапряжённости деталей дизеля при; сохра- 1 нении і номинальной; мощности, либо возможно значительное увеличение мощ ности при сохранении остальных параметров работы двигателя. Таким образом, появляется возможность форсированной работы дизеля, например, при прохождении перекатов.
Зі Сокращается нагарообразование в цилиндрах, что уменьшает их износ.
41В результате более полного сгорания углерода снижается сажесодер-жание в выпускных газах двигателя; уменьшается доля оксидов азота, что снижает экологический ущерб при эксплуатации судов.
5. Увеличивается ресурс распылителей (распыливающие отверстия не за- коксовываются).
6. Эмульгирование топлива даёт широкие возможности использования различных присадок, которые хорошо растворяются в воде.
ф, Таким о бразом і можно констатировать, что перевод дизелей на - ВТЭ явля ется действенным методомулучшения качества их работы.
Однако: до настоящего времени некоторые аспекты і применения і эмульгированных топлив в дизелях изучены далеко недостаточно. Так, имеются весьма скудные; сведения о работе на ВТЭ топливнойї аппаратуры (ТА) двигателей. Практическиs полностью отсутствуют сведения об Ї-износах; ТА в; этих условиях: Данная работа направлена на изучение именно этих вопросов.
Bsрезультате:анализа?литературных источников!Btкачестве инструмента теоретического исследования; процесса топливоподачи при использовании ВТЭ выбран метод расчёта, разработанный И:В: Астаховым, как, весьма?точный!ш наиболее доступный:
Наз базе топливного стенда была создана; экспериментальная установка; для нахождения скорости распространения? звука вs эмульгированном топливе. Получена зависимость этого параметра от содержания воды во ВТЭ.
Применительно ктопливной аппаратуре двигателя 6ЧН18/22 оценены все исходные данные для расчёта:
Произведён вычислительный эксперимент, в результате которого изучено; влияние концентрации в воды во ВТЭ на основные параметры топливоподачи:
Так, в; частности; установлено,8 что с ростом в увеличиваются! продолжительность, угол опережения и максимальное давление впрыска топлива:
На»основе полученных данных намечены основные: пути? улучшения параметров топливоподачи при8 использованию эмульгированных топлив: Эти рекомендации! сводятся к: увеличению -усилия: затяжки; пружин? форсуноки t к; подогреву ВТЭ при её впрыскивании в цилиндры дизеля: е v. Разработана экспериментальная установка, позволяющая исследовать ра боту, дизелям 6ЧН18/22на ВТЭ с:разным; содержанием;воды: Проведённые на ней испытания подтвердили результаты теоретических расчётов о влиянии ВТЭ) на закономерности топливоподачи. Эксперименты также показали правильность выбора способов улучшения параметров последней.
При помощи метода спектрального анализа проведены исследования закономерностей изнашивания деталей топливной аппаратуры двигателя 6ЧН18/22. При изучении износов трущихся пар ТНВД, последний был установлен на топливном стенде, а анализу подвергалось топливо, проходящее через насос.
Исследование показало, что при переходе на эмульгированное топливо износ трущихся деталей становится заметно меньше.
В соответствии с вышеизложенным, на защиту выносятся следующие положения:
1. Экспериментальная зависимость скорости распространения звука в во-дотопливной эмульсии от концентрации в ней воды.
2. Материалы численного исследования процесса топливоподачи при использовании ВТЭ.
3. Практические рекомендации по улучшению топливоподачи при использовании эмульгированного топлива.
4. Результаты испытаний двигателя 6ЧН18/22, которые, в частности, подтвердили действенность предложенных практических рекомендаций по улучшению параметров топливоподачи.
5. Итоги износных испытаний деталей топливной аппаратуры дизеля при использовании водотопливных эмульсий.
Работа топливной аппаратуры на ВТЭ
Как известно [39 и др.], процесс подачи топлива в дизелях определяется, главным образом, следующими параметрами: опережением, продолжительностью и динамикой, а также давлением впрыска. Рассмотрим, как меняются эти величины при переводе дизеля на ВТЭ. Работ, посвященных данному вопросу в литературе очень мало и, по существу их результаты сконцентрированы в книге [41]. Воспользуемся этими материалами. Угол опережения впрыскивания фх при прочих равных условиях определяется сжимаемостью топлива и скоростью распространения в нём звука. Эти параметры у чистого и эмульгированного топлива различны. Следовательно, при переходе на ВТЭ угол фх будет изменяться. Это подтверждается материалами рис. 1.1, где приведены результаты испытаний двигателя 1424/36 на дизельном топливе и его эмульсиях. Из рисунка видно, что угол опережения подачи увеличивается с ростом концентрации воды во ВТЭ.
Для сохранения мощности двигателя цикловая подача ВТЭ должна быть больше чем чистого топлива на величину присадки воды. Соответственно, при этом возрастает угол фвп впрыскивания топлива. Данная зависимость иллюстрируется рис. 1.2, где цифрой 1 обозначены результаты испытаний двигателя 6ЧН16/22,5, работающего по винтовой характеристике; цифрами 2, 3 обозначены материалы опытов, проведенных, соответственно, на двигателях 148,5/11 и 4417,5/24, работающих по нагрузочным характеристикам. При этом двигатели 6ЧН16/22,5 и 4417,5/24 работали на дизельном, а 148,5/11 - на моторном топ-ливах.
Зависимость приращения продолжительности подачи топлива от количества воды во ВТЭ В работе [41] также показано, что при переводе двигателя на ВТЭ безразмерная интегральная характеристика впрыскивания гДе 8 ц соответственно, текущая и цикловая подача топлива; ф - текущий угол поворота коленчатого вала; фвп - угол впрыскивания топлива, практически не меняется, а давление Рв впрыскивания немного растет. Таким образом, можно констатировать, что при переводе дизеля на ВТЭ претерпевают изменения практически все основные параметры, определяющие подачу топлива (jpx ,фвп,Рв). Это не может не оказать влияние на рабочий процесс двигателя. Рассмотрим этот вопрос более подробно.
Увеличение рх приводит к росту максимального давления: Pz цикла. Зависимость . расхода топлива» от угла ; опережения впрыска не однозначна [15]; При увеличении 0?j сначала, как правило, экономичность двигателя несколько растёт, а затем, достигнув оптимального значения, начинает снижаться.
Увеличение продолжительности впрыскивания топлива может привести к снижению экономичности дизеля; В некоторых случаях это негативное явление в состоянии перекрыть положительный эффект от применения ВТЭ и расход топлива возрастёт. Об этом; в частности, сказано в работе [41]
Работ, посвященных изучению влияния регулировки топливной аппаратуры переводимых на ВТЭ дизелей, на их основные показатели, очень мало. И здесь весьма показательными являются: исследования, описанные в [ 101 ] і Опыты проводились на двухтактном дизеле 1ДЗ 0/40. Испытания были реализованы на чистом тяжёлом топливе и его эмульсии с содержанием воды 35:..37 %. Некоторые результаты экспериментов приведены на рис. 1.3. Здесь опыты А,проводились на чистом тяжёлом топливе со штатной топливной системой: В случае Б дизель работал на ВТЭ со штатной топливной аппаратурой; опыты; В были осуществлены на ВТЭ при использовании специально разработанной топливной аппаратурой, которая обеспечивает параметры топливоподачи, соответствующие штатной аппаратуре на чистом топливе.
Опытные данные на; рисунке представлены: в; относительной форме [iVO ,D, Q - относительные доли оксидов азота; дымности выпускных газов; удельного эффективного расхода топлива]) Из рисунка видно, что при переводе. дизеля на ВТЭ улучшились лишь только экологические показатели {NO ,D): При? обеспечении штатных параметров топливоподачи; заметно сократился и расход топлива.
Оценка исходных данных для расчёта процесса топливоподачи
Данное исследование имело целью: 1. Изучить закономерности изменения топливоподачи при переводе дизеля с «безводного» топлива на его ВТЭ: 2. Проверить возможность приведения; параметров; топливоподачи при работе на ВТЭ;к значениям, полученным при.эксплуатации дизеля на чистом топливе, не прибегая к вмешательству в конструкцию двигателя (изменение давления в системе гидрозапора форсунок, подогрев водотопливной эмульсии).
Испытания проводились в лаборатории s СДВС HFABT на дизеле 6ЧН18/22І На двигателе была смонтирована установка для приготовления ВТЭ, разработанная С.А. Калашниковым. Общий вид дизеля с установкой-приготовления эмульсии приведён на рис..3;Iі, смешивающе-дозирующий узел установки - на рис. 3.2, а принципиальная схема установки — на рис. 3:3;
Установка, смонтированная на; дизеле (рис. 313), состоит из расходных ёмкостей топлива 1 и воды 2, а также; смешивающе-дозирующей системы.; Топливо І подаётся І из цистерны при помощи штатного тогшивоподкачивающего насоса двигателя. Постоянный уровень топлива в расходной ёмкости поддерживается і с помощью поплавкового дозирующего устройства: Вода в расходную; ёмкость поступает из системы городского водоснабжения. Смешивающе-дозирующая система состоит из эжектора 3 с установленным на нём; циклоном 4; Часть эмульсии после: эжектора-поступает в циклон, где происходит, её разделение- на водяную и. топливную фракции. Отделённая вода подаётся обратно в смесительную камеру эжектора, а топливо поступает на вход шестерён 55 ного насоса 5, из которого под давлением подаётся в эжектор. Давление топлива перед эжектором контролируется при помощи пружинного манометра 7. Благодаря разрежению, создаваемому потоком топлива в эжекторе, в смесительную камеру последнего подсасываются вода и дизельное топливо из расходных ёмкостей. Требуемая концентрация воды во ВТЭ обеспечивается установкой соответствующих топливного и водяного жиклёров. Это даёт возможность путём смены водяного жиклёра изменять процентное содержание водной фазы во ВТЭ. Расход топлива определялся при помощи весов 8, воды -посредством мерной ёмкости 9.
Принципиальная схема опытной установки по приготовлению ВТЭ Методика проведения эксперимента заключалась в следующем: - двигатель запускался и прогревался до рабочих температур на чистом дизельном топливе; - прогретый двигатель переводился при помощи крана 6 (рис. 3.3) на во-дотопливную эмульсию и выводился на номинальный режим (частота вращения коленчатого вала - 750 об/мин, нагрузка на гидротормоз - 150 кг), после чего производились необходимые замеры; - двигатель останавливался и производилась замена водяного жиклера эжектора (при определении влияния концентрации водной фазы во ВТЭ на параметры топливоподачи; изменение давления в системе гидрозапора форсунок производилось без остановки двигателя); - после: этого двигатель пускался снова; выводился на: номинальный режим, и замеры повторялись; - по окончании испытаний топливная система, промывалась, чистым дизельным топливом во избежание оседания геля и преждевременного; выхода ее из строя:
Экспериментальные диаграммы снимались измерительно вычислительным комплексом «Декарт» конструкции, НГАВТ (применялись кварцевые пьезодатчики давления, диаграммы записывались сразу в память компьютера). По найденным расходам топлива и воды рассчитывалось содержание водной фазы в эмульсии.
Эффективная мощность определялась по крутящему моменту, развиваемому дизелем (определяется при помощи гидравлического тормоза) и угловой скорости; вращения коленчатого вала (определяется при помощи тахометра и контролируется посредством комплекса «Декарт»),
В процессе испытаний снимались индикаторные диаграммы и диаграммы давления топлива на входе в трубопровод высокого давления и на выходе из не 58 го. На основании полученных данных определялись значения параметров топ-ливоподачи (углы начала и конца подачи топлива, угол начала горения и др.).
Зависимость параметров топливоподачи от количества водной фазы во ВТЭ
Опыты проводились на дизельном топливе марки Л-0,2 и на его эмульсии с объёмным содержанием водной фазы в=20 %. Давление в системе гидрозапора форсунок увеличивалось от 150 до 190 кгс/см2 путём затяжки пружины редукционного клапана системы гидрозапора. Результаты эксперимента представлены нарис. 3.10-3.14.
Зависимость угла начала подачи топлива от давления гидрозапора Уменьшение расхода топлива, при работе на ВТЭ, с увеличением давления гидрозапора со 150 до 190 кгс/см2 составило около 4 % (см. рис. 3.14). По сравнению с работой на «чистом» топливе при номинальном давлении гидрозапора увеличение экономичности составило « 9,5 %.
Зависимость расхода топлива от давления гидрозапора-Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы:
1. При увеличении давления в системе гидрозапора форсуночных игл до 190 кгс/см2 продолжительность впрыскивания уменьшается примерно на 11ЖВ. При дальнейшем увеличении давления возможно сокращение продолжительности, впрыскивания ВТЭ до значений соизмеримых с безводным топливом при номинальном значении давления гидрозапора.
2. С увеличением давления гидрозапора начало подачи ВТЭ;. а, равно и начало горения смещаются ближе к ВМТ. Учитывая положение точки максимального давления цикла ( 7Ршах) у безводного и эмульгированного топлив, можно предположить уменьшение продолжительности сгорания ВТЭ по кинетическому механизму по сравнению с безводным топливом.
Влияние подогрева водотопливной эмульсии на эксплуатационные показатели топливной аппаратуры дизеля Испытания проводились в лаборатории СДВС НГАВТ на дизеле 6ЧН18/22, оборудованном установкой для приготовления водотопливной эмульсии. Принципиальная схема и описание опытной установки приведены в параграфе 3.1 данной главы. Для подогрева эмульсии, между расходным бачком топлива и эжектором был установлен электрический нагреватель с возможностью плавного регулирования температуры. Температура ВТЭ контролировалась при помощи термопары, подключенной к потенциометру КВП-1.
В процессе испытаний снимались индикаторные диаграммы и диаграммы давления топлива перед форсункой при работе двигателя на ВТЭ дизельного топлива с массовым содержанием водной фазы в=20 % при температурах 35 и Анализ результатов проведенного эксперимента позволяет сделать следующие выводы: 1. Угол начала подачи при переводе двигателя на ВТЭ увеличивается (топливо подаётся раньше), повышение температуры эмульсии позволяет сместить « момент начала подачи к ВМТ. 2. При подогреве ВТЭ горение топлива начинается раньше, продолжительность подачи и угол задержки воспламенения сокращаются. 3. Подогрев ВТЭ вызывает сокращение расхода топлива ( 3 г/(л.с.-ч.)). 3.5 Основные результаты исследования. Выводы 1. При переводе дизеля с чистого дизельного топлива на его ВТЭ происходит заметное изменение параметров работы топливной аппаратуры (увеличивается угол начала подачи топлива, угол начала горения при этом смещается к ВМТ, что в совокупности ведёт к увеличению угла задержки воспламенения, продолжительность подачи топлива возрастает). Несмотря на последнее, удельный эффективный расход топлива при этом сокращается.
2. Увеличение давления впрыска ВТЭ посредством повышения давления в системе гидрозапора форсуночных игл до 190 кгс/см2 приводит к сокращению продолжительности подачи топлива. При этом начало подачи и начало горения топлива приближаются к ВМТ, а удельный эффективный расход топлива дополнительно уменьшается.
3. При подогреве ВТЭ происходят следующие изменения параметров топ-ливоподачи и рабочего процесса: - угол начала подачи и продолжительность подачи топлива уменьшаются; - угол задержки воспламенения уменьшается; - горение топлива начинается раньше; - удельный эффективный расход топлива сокращается
Исследование изнашивания деталей топливной аппаратуры на машине трения МТ-
Измерение коэффициента трения производилось на машине трения МИ-1, имитирующей работу пары трения «втулка-вал» при вращательном движении; Принципиальная схема установки приведена на рис. А.5.
Смазка в зону трения подавалась следующим образом. Под нижний образец (ролик) 2 устанавливалась ванночка, наполненная топливом; так, чтобы нижняя часть ролика была погружена в испытуемую жидкость 3. При вращении-ролика топливо захватывается и подается-в зону трения. Поскольку интенсивность смазывания определяется уровнем жидкости и диаметром ролика при определенных его оборотах, в ванночке уровень жидкости: поддерживался: ПОСТОЯННЫМ;
Температура трущихся поверхностей сильно влияет как на износ, так и на антифрикционные свойства трущейся пары. Кроме того, с изменением температуры изменяются! смазочные свойства материала. В связи с этим измерения момента трения проводились при фиксированной температуре топлива, которое подогревалось нагревательным элементом 4.
Температура смазывающего материала на машине МИ-1! измерялась термопарой 5, спай которой помещался в ванночку. Регистрировалась температура потенциометром 6.
Режим трения изменялся увеличением нагрузки на верхний образец 1 (рис. 4.5) от 4 до 8 МПа, так, как частота вращения нижнего образца!была постоянна.
Принципиальная схема машины трения МИ-1 На каждой нагрузке образцы работали, пока не наступал установившийся режим трения, при котором момент трения минимален и в дальнейшем остается постоянным.
Образцы для испытаний были изготовлены из материалов, соответствующих материалам плунжерной пары дизеля 6ЧРН36/45. Переход с дизельного топлива на ВТЭ осуществлялся без остановки машины трения. На рис. 4.6 представлена зависимость коэффициента трения прецизионной пары «плунжер-втулка» от температуры смазочного материала. Здесь: fT— текущее значение коэффициента трения, fT0- начальное значение коэффициента трения, Т-температура смазочного материала, С.
Как видно из графика (рис. 4.6), переход с дизельного топлива на ВТЭ с содержанием водной фазы в=10 % практически не сказывается на изменении коэффициента трения: Оно (изменение) лежит в пределах погрешности измерений. Увеличение содержания водной фазы до 30 % повышает вязкость эмульсии, что приводит к уменьшению fT в условиях граничного трения; В дальнейшем, работа машины трения была организована в том же режиме, что и МТ-Г «работа-стоянка» (см: выше). Результаты, представленные на рис. 4.7, косвенно подтверждают факт увеличения скорости изнашивания. А именно, с течени 73 ем времени, увеличение продолжительности стоянок трибосопряжения в среде ВТЭ-30, приводит к увеличению fT.
Относительное изменение коэффициента трения плунжерной пары ТНВД в зависимости от температуры и от продолжительности работы
Исключить это негативное явление в процессе работы дизеля нельзя. Но ослабить его влияние - можно. Выход видится в применении так называемых ремонтно-восстановительных препаратов. В работах [1, 60] говорится, что применение кондиционеров металла уменьшает износ за счет того, что контактирующие поверхности «обмениваются» ионами железа граничных пленок, а не частицами основного металла. Иными словами, происходит насыщение трущихся поверхностей химически чистым железом, которое, обладая меньшим по сравнению со сталью или чугуном напряжением сдвига, снижает силу трения при относительном движении деталей. Геометрически наличие слоя на поверхности трения и износа проявляется как выглаживание, уменьшение высоты микронеровностей и глубины следов износа, что сопровождается различимым на глаз увеличением оптической отражательной способности (зеркальным- блеском) поверхностей. В работах [46, 100]; этот факт косвенно подтверждается. Кроме того, в [46 и 100]; показано, что с добавлением многофункционального кондиционера металла «ФЕНОМ» в моторное масло трибосопряжения могут работать в режиме масляного голодания при сохранении коэффициента трения: ниже номинального значения. При этом, изменение температуры смазочного материала от 50 до 70С почти не сказывается на повышении коэффициента трения.
Введение 1 % «ФЕНОМ» в эмульгированное дизельное топливо показало, что через 4 часа работы плунжерной пары коэффициент трения упал ниже значений; полученных на ВТЭ-30 сразу после введения её в зону трения, т.е. до образования очагов коррозии (см. рис. 4:7 ВТЭ-30, 0 час). Чувствительность пары трения к изменению температуры смазочного материала стала? существенно ниже. Это наглядно проявляетсяшри температурах смазочного материала выше 55 С. Вероятно ионы железа, содержащиеся в «ФЕНОМ», взаимодействуют с поверхностями трения «залечивая» (восстанавливая) . микродефекты, образовавшиеся в результате трения.
Следовательно: - введение 1 % препарата «ФЕНОМ» в эмульгированное дизельное топливо уменьшает коэффициент трения прецизионных пар ниже значений; полученных на товарном дизельном топливе марки Л-0;2; - с увеличениемтемпературы в зоне трения эффект от применения препарата «ФЕНОМ» многократно возрастает.
