Содержание к диссертации
Введение
1. Распылители топлива и их работоспособность в дизелях 15
1.1. Требования к распылителям топлива и критерии их работоспособности 16
1.2. Свойства, параметры и характеристики впрыскивания топлива 23
1.3. Показатели дизеля при пониженной работоспособности распылителя 28
1.4. Причины снижения работоспособности распылителей 39
1.5. Научная проблема, цель и задачи исследования 45
2. Факторы, определяющие ресурс распылителей топлива 47
2.1. Систематизация и классификация составляющих работоспособности 48
2.2. Функциональные особенности прецизионных сопряжений распылителя 51
2.3. Свойства материала элементов распылителя, топлива и рабочих газов 54
2.4 Особенности гидравлического тракта распылителя топлива 56
2.5. Нагруженность, повышение и оценка ресурса распылителей топлива 65
3. Условия нагружения и теплообмена элементов распылителя в дизеле 74
3.1. Расчетно-функциональная модель нагружения распылителя 75
3.2. Особенности гидродинамического нагружения элементов распылителя 81
3.3. Тепловое нагружение распылителя рабочими газами 87
3.4. Теплообмен топлива в гидравлическом тракте распылителя 99
3.5. Контактный теплообмен элементов распылителя с форсункой 106
3.6. Условия теплообмена при тепловой защите распылителя 110
4. Распределение температур, деформаций и напряжений в распылителе 124
4.1. Оценка тепловой и механической нагруженности распылителя 125
4.2. Влияние конструкции на температурное состояние распылителя 137
4.3. Влияние тепло физических свойств материала и тепловой защиты на температурное состояние распылителя 148
4.4. Тепловая нагруженность распылителя на различных видах топлива 157
4.5. Тепловое состояние при закоксовывании распыливающих отверстий 161
4.6. Напряженно-деформированное состояние корпуса распылителя при монтаже в форсунку 165
5. Анализ взаимодействия контактных слоев трибосопряжений 168
5.1. Функциональная модель контактного взаимодействия 169
5.2. Моделирование микрорельефа шероховатости контактного слоя 178
5.3. Фактический контакт и триботехнические параметры сопряжения 195
6. Температуры, напряжения и деформации в контактном слое сопряжения .208
6.1. Анализ распределения температур в контактном слое сопряжения 209
6.2. Микромеханический анализ цилиндрического контактного сопряжения .233
6.3. Микромеханический анализ конического контактного сопряжения 250
7. Тепломеханическая нагруженность, интенсивность изнашивания и ресурс прецизионных сопряжений распылителя 255
7.1. Определение объемов материалов, воспринимающих тепловую и механическую нагрузку в процессе трения 256
7.2. Оценка массовой доли изношенного материала в процессе приработки 267
7.3. Интенсивность изнашивания в энергетической теории трения и износа 273
7.4. Оценка ресурса прецизионных сопряжений распылителя 286
Заключение 299
Библиографический список 306
Приложения 321
- Свойства, параметры и характеристики впрыскивания топлива
- Функциональные особенности прецизионных сопряжений распылителя
- Особенности гидродинамического нагружения элементов распылителя
- Влияние конструкции на температурное состояние распылителя
Введение к работе
Актуальность проблемы. Форсирование дизелей по среднему эффективному давлению и частоте вращения коленчатого вала с одновременным снижением выбросов вредных веществ отработавшими газами требует повышения давления впрыскивания топлива и сопровождается ростом температуры распылителя. Следствием высоких тепловых, гидродинамических и механических нагрузок, изнашивающих контактный слой прецизионных сопряжений, плохой фильтрации и коксования топлива в распыливающих отверстиях является пониженный ресурс распылителя, сдерживающий форсирование дизелей.
Повышение ресурса распылителей топливных форсунок является одним из условий обеспечения высокого технического уровня дизелей. Ресурс распылителей отечественных тракторных и комбайновых дизелей по ГОСТ 10579-88 (с изменениями от 1995-07-01) должен составлять не менее 50% ресурса форсунки, автомобильных дизелей - не менее 3500 ч. Ресурс распылителей фирмы Bosch составляет более 4500 моточасов. Фактический ресурс отечественных распылителей, например, в дизелях 124 15/18, 64 15/18 и 4ЧН 15/20,5 часто не превышает 1200...1300, а в дизеле 8ЧН 13/14 - 1500 моточасов. Опыт эксплуатации отечественных дизелей свидетельствует, что до 75% вышедших из строя распылителей имеют потерю гидравлической плотности вследствие преждевременного достижения предельного износа прецизионных сопряжений.
Способы повышения ресурса и топливной экономичности дизелей совершенствованием конструкции, технологии изготовления и снижением нагруженности прецизионных сопряжений распылителей рассмотрены в трудах Астахова И.В., Баширова P.M., Голубкова Л.Н., Горбаневского В.Е., Грехова Л.В., Кухаренка Г.М., Лышевского А.С, Маркова В.А., Морозовой B.C., Николаенко А.В., Пат-рахальцева Н.Н., Роганова С.Г., Русинова Р.В., Трусова В.И., Фомина Ю.Я., Файнлейба Б.Н. и др. Повышение давления впрыскивания топлива, особенно с применением систем впрыскивания типа Common Rail, и ресурса прецизионных сопряжений распылителя требует дальнейшего совершенствования этих способов развитием известных и применением новых технических решений.
Внедрение новых конструкций для улучшения работы прецизионных сопряжений распылителя сдерживается неполной оценкой их эффективности, в частности ресурса. Известные методы оценки ресурса прецизионных сопряжений распылителя, не учитывающие зависимость радиальной силы, действующей на иглу, от давления топлива и размеров направляющей от температуры, специфику тепломеханического нагружения контактного слоя поверхностей, реальный микрорельеф шероховатости, изменение теплофизических и механических свойств материалов, нуждаются в развитии и повышении достоверности.
Повышение ресурса распылителей топлива в дизелях снижением нагруженности, а также совершенствование методов оценки эффективности технических решений по улучшению работы прецизионных сопряжений, является актуальной научной проблемой. При решении проблемы реализован комплексный подход, включающий разработку технических решений по совершенствованию конструкции распылителей и создание метода оценки ресурса прецизионных со-
пряжений с использованием энергетической модели трения и изнашивания для определения их эффективности.
Цель работы. Повышение ресурса прецизионных сопряжений распылителей топлива при форсировании дизелей.
Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:
-
Систематизировать факторы, определяющие ресурс распылителя топлива, и определить пути повышения ресурса при форсировании дизелей;
-
Оценить параметры теплового, гидродинамического и механического нагружения прецизионных сопряжений распылителя при изменении режима работы дизеля;
-
Определить фактические контактные параметры рабочих поверхностей при взаимодействии элементов прецизионных сопряжений распылителя с использованием математического моделирования шероховатости;
-
Разработать математические модели и метод оценки ресурса прецизионных сопряжений распылителя, учитывающий режим работы дизеля, фактические параметры шероховатости и триботехнические характеристики поверхностей;
-
Установить влияние уровня нагружения и частоты вращения коленчатого вала дизеля на ресурс прецизионных сопряжений распылителя;
-
Оценить эффективность и рекомендовать к использованию при форсировании дизеля известные и новые технические решения по повышению ресурса распылителя снижением нагруженности прецизионных сопряжений и распыли-вающих отверстий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Установлена взаимосвязь процессов теплового, гидродинамического и механического нагружения прецизионных сопряжений с конструктивными и эксплуатационными факторами, определяющая ресурс распылителя топлива;
-
Разработан метод оценки ресурса прецизионных сопряжений, учитывающий режим работы дизеля, параметры шероховатости, связь критического числа циклов нагружения с коэффициентом аккумуляции энергии микродеформирования, действительным и предельным напряженным состоянием контактного слоя. Предложена модель зависимости ресурса от толщины и интенсивности изнашивания контактного слоя, частоты вращения коленчатого вала и хода иглы распылителя;
-
Учтено влияние температуры на геометрические параметры элементов и давление топлива в гидравлическом тракте распылителя топлива при уточненной оценке контактных параметров, напряженного состояния поверхностного слоя и ресурса прецизионных сопряжений;
-
Предложена зависимость, устанавливающая связь массы продуктов износа и скорости изнашивания с характером и продолжительностью приработки прецизионных сопряжений распылителя на основе распределения Вейбулла;
-
Развиты методы (спектрального анализа, фрактального подхода и ортогональных преобразований) математического моделирования микрорельефа шеро-
ховатости для создания конечно-элементных моделей поверхности контактного слоя прецизионных сопряжений распылителя.
Методы исследования. Математическое моделирование внутрицилиндро-вых процессов теплообмена, теплопередачи и контактного взаимодействия прецизионных элементов распылителя топлива в дизеле с использованием методов математической статистики и конечных элементов. Экспериментальные исследования дизеля и его деталей с использованием стандартных и оригинальных измерительной аппаратуры и методов испытаний.
Объект и предмет исследования. Процессы теплового, гидродинамического и механического нагружения и их влияние на ресурс прецизионных сопряжений распылителя топлива в дизеле.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Предложен и обоснован способ повышения ресурса направляющего и запирающего прецизионных сопряжений и снижения закоксованности распыли-вающих отверстий применением тепловой защиты распылителя при сохранении мощности дизеля;
-
Рекомендованы и обоснованы технические решения (уменьшение хода, диаметра и длины направляющей иглы, экранирование корпуса распылителя) для сохранения ресурса прецизионных сопряжений при форсировании дизеля по среднему эффективному давлению и частоте вращения коленчатого вала;
-
На основе разработанного метода выполнена сравнительная оценка эффективности и даны рекомендации по выбору технических решений (число топливных каналов в корпусе и кольцевых проточек на игле, теплопроводность иглы и тепловая защита) для снижения температуры прецизионных сопряжений распылителя;
-
Разработана методика определения граничных условий теплового, гидродинамического и механического нагружения для оценки температурного и напряженно-деформированного состояния распылителей различных конструкций;
-
Предложена методика определения интенсивности изнашивания, позволяющая оценить ресурс прецизионных сопряжений распылителя с использованием энергетической модели трения и изнашивания;
-
Систематизированы методы моделирования микрорельефа шероховатости контактного слоя для создания конечно-элементных моделей контактирующих поверхностей с заданными геометрическими характеристиками.
Реализация результатов. Результаты работы использованы ОАО «Челябинский тракторный завод» и ООО «ЧТЗ-Уралтрак» для разработки распылителя топлива с тепловой защитой в многотопливной модификации тракторного дизеля Д-180 и газодизельной модификации дизель-генераторной установки. Рекомендации по очистке прецизионных сопряжений и распыливающих отверстий распылителя использованы в Южно-Уральском филиале ОАО «РЖД» для дизелей Д6 и Д12. Рекомендации по оценке ресурса распылителей использованы 000 «Уральский дизель-моторный завод». Разработанный метод оценки ресурса сопряжений использован Австрийским центром компетентности в трибологии (АС2Т research GmbH, Wr. Neustadt, Austria) при выполнении исследовательских
работ по оценке ресурса направляющих скольжения с комбинированным смазочным материалом. Методика определения граничных условий теплового, гидродинамического и механического нагружения прецизионных сопряжений распылителя используется в учебном процессе кафедр «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета и Челябинского высшего военного автомобильного командного инженерного училища. Результаты диссертационной работы использованы в ОАО «Научно-исследовательский институт автотракторной техники» при проведении работ по оценке эффективности тепловой защиты распылителей тракторных дизелей.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждены и одобрены на региональных, межрегиональных и международных научно-технических конференциях: Челябинск: ЧГТУ, 1995-1998 г.г.; «Двигатель-97» -Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997 г.; «Технические ВУЗы - Республике» -Минск: БГПА, 1997 г.; Челябинск: ЧГАУ, 1997-2008 г.г.; Челябинск: ЮУрГУ, 1999-2008 г.г.; отчетной конференции-выставки подпрограммы 205 «Транспорт» НТП Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» - Москва: МГАИ (ТУ) - Звенигород, 2002 г.; «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» - Броня-2002 - Омск: ОТИИ, 2002 г.; «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателе-строения» - Челябинск: ЮУрГУ, 2003, 2006 г.г.; World Tribology Congress III Washington, USA - Washington Hilton & Towers, 2005; Symposium «Tribosysteme in der Fahrzeugtechnik» - Graz, Austria - OTG, 2005; «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» - СПб.- Пушкин: СПбГАУ, 2003, 2005-2008 г.г.; «Современные транспорт и транспортные средства: проблемы, решения, перспективы» - Минск: БНТУ, 2006 г.
Диссертационная работа одобрена на научных семинарах кафедр «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета, Алтайского государственного технического университета и кафедры «Тракторы и автомобили» Челябинского государственного агроинженерного университета.
Публикации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы изложены в 46 работах, в том числе 10 - в изданиях, рекомендованных ВАК, 13 - в трудах и материалах международных, всероссийских и региональных конференций, 22 - в региональных изданиях, в патенте на изобретение.
Личный вклад автора. Основные научные результаты теоретических и экспериментальных исследований получены лично автором при выполнении научно-исследовательских работ с ОАО «ЧТЗ» и ООО «ЧТЗ-Уралтрак» (1996-2003), с ОЗПМ ЮУЖД (1999-2004), научно-технической программы: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (2001-2002), гранта международного фонда INTAS (2004-2006) в кооперации с АС2Т research GmbH (Wr. Neustadt, Austria), гранта DAAD по программе «Михаил Ломоносов» Министерства образования и науки РФ и Германской службы академических обменов (2007) в кооперации с Институтом механики Берлинско-
го технического университета (TU Berlin), гранта международного фонда TEMPUS (2007) в кооперации с АС2Т research GmbH (Wr. Neustadt, Austria).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка (150 источников) и приложения. Диссертация содержит 336 страниц, 15 таблиц, 126 иллюстраций.
Свойства, параметры и характеристики впрыскивания топлива
Среди множества факторов, влияющих на параметры и характеристики впрыскивания и распыливания, выделяют свойства моторных топлив, которыми являются жидкие продукты переработки нефти: дизельные топлива, керосины, бензины, и горючие газы, содержащие углеводороды [28, 147]. Наиболее важными физико-химическими свойствами моторных топлив для осуществления рабочего цикла дизеля, помимо теплоты сгорания, являются свойства, определяющие эффективность впрыскивания и распыливания, смесеобразования, воспламенения и сгорания, а также интенсивность теплообмена в цилиндре дизеля. 1. Основные свойства жидких моторных топлив, определяющие эффективность впрыскивания и характер распыливания их в цилиндре, оценивают такими показателями качества, как сжимаемость, плотность, вязкость, поверхностное натяжение и испаряемость. Сжимаемость топлива характеризуется аккумулированием энергии нагнетания, которая проявляется по окончании впрыскивания малым давлением и снижением качества распыливания [5, 6, 128]. Плотность топлива определяет ряд объемных характеристик процесса впрыскивания. На плотность топлива оказывает влияние его температура и интенсивность сжатия. Вязкость топлива зависит от фракционного состава и меняется в зависимости от температуры и давления. Пониженная вязкость затягивает процесс впрыскивания, уменьшает вероятность возникновения подвпрыскивания, снижает утечки через зазоры прецизионных трибосопряжений, которые уменьшают цикловую подачу, давление впрыскивания, а также затягивает начало и ускоряет завершение подачи топлива. Качество распыливания и распространения топливного факела в камере сгорания зависит от поверхностного натяжения и испаряемости топлива. Распыливание тем эффективнее, чем меньше поверхностное натяжение и выше скорость истечения топлива. «Утяжеление» фракционного состава ведет к ухудшению качества распыливания и равномерности распределения топлива в объеме камеры сгорания, в то вре мя, как «облегчение» фракционного состава топлива улучшает тонкость распылива-ния и испаряемость топлив, и, следовательно, качество смесеобразования. 2. Основные свойства жидких моторных топлив, определяющие эффективность смесеобразования, оценивают такими показателями качества, как фракционный со став, плотность и вязкость. Легкие фракции, кипящие при температуре до 200 С, улучшают испаряемость топлива, повышают скорость смесеобразования и однородность смеси.
Плотность топлива косвенно характеризует его химические свойства и фракционный состав, поскольку высокая плотность топлива при равных условиях затрудняет процесс образования однородной топливовоздушной смеси, вследствие увеличения необходимой энергии на распределение топлива по камере сгорания. Пониженная вязкость способствует сравнительно легкому распределению топлива в объеме камеры сгорания, облегчая процесс получения однородной топливо-воздушной смеси. 3. Основные свойства жидких моторных топлив, определяющие эффективность самовоспламенения, оценивают цетановым числом. Цетановое число, как показатель воспламеняемости топлив, тесно связано с таким их свойством, как термическая стабильность. Термическая стабильность характеризует устойчивость молекулы углеводорода к воздействию теплоты [22] и оценивается периодом задержки воспламенения. Наибольшей эффективностью самовоспламенения в дизеле из рассматриваемых жидких топлив обладают дизельные топлива, имеющие высокие значения цетано-вых чисел, наименьшей — бензины. 4. Основными свойствами жидких моторных топлив, определяющими эффек тивность сгорания, можно назвать термическую стабильность, детонационную стойкость и окислительную способность. Показатели качества, характеризующие эти свойства, соответственно следующие: цетановое число, октановое число и теп лота сгорания топлива. Различие физико-химических свойств топлив проявляется в формировании продолжительности периода задержки самовоспламенения, во время которого происходит предпламенное окисление, и образуются очаги самовоспламенения, Влияние качества смесеобразования на продолжительность периода задержки самовоспламенения невелико и составляет примерно от 7 до 10 %. Основное влияние на продолжительность периода задержки самовоспламенения оказывают химические свойства топлива: термической стабильностью, окислительной способностью и др. [101, 142]. Характер выгорания топлива в периодах процесса сгорания изменяется несущественно. Сокращение продолжительности процесса сгорания и уменьшение уровня тепловых потерь обеспечивает повышение топливной экономичности [20, 63].
Анализ физико-химических свойств моторных топлив, оказывающих влияние на процессы впрыскивания, смесеобразования, самовоспламенения и сгорания, позволяет утверждать, что «облегчение» фракционного состава топлив сопровождается некоторым ухудшением характеристик впрыскивания, повышением качества смесеобразования, затрудненным самовоспламенением и ростом скоростей сгорания, особенно в начальном периоде. Последнее интенсифицирует турбулентное движение топливовоздушной смеси и, как следствие, теплообмен между газами и поверхностями распылителя.
В соответствии с рисунком 1.4 процесс впрыскивания топлива в дизеле характеризуется рядом параметров и характеристик. Это, прежде всего его интенсивность, характеризуемая начальным, максимальным и остаточными давлениями впрыскивания ртр, величина хода иглы распылителя h, скорость истечения топлива из распы-ливающих отверстий, продолжительность (рвпр, своевременность ввпр и закономерность впрыскивания.
Функциональные особенности прецизионных сопряжений распылителя
Особенностью конструкции распылителя является наличие неподвижного (корпус) и подвижного (игла) элементов, образующих прецизионные трибосопряжения. В соответствии с рисунком 2.2 игла контактирует двумя поверхностями (цилиндрической - 1 и конической - 2) с корпусом распылителя и одной поверхностью (торцевой - 3) со штангой форсунки. Корпус распылителя образует прецизионное плоскостное сопряжение с корпусом форсунки и выполняет уплотняющие функции. Цилиндрическое прецизионное трибосопряжение выполняет роль направляющего и уплотняющего элемента при движении иглы. Коническое сопряжение иглы с корпусом распылителя служит запорным элементом в гидравлической системе топли-воподачи дизеля [67, 111].
Управление запорным элементом осуществляется давлением топлива, создаваемого насосом высокого давления, которое воздействует на дифференциальную площадку иглы и усилием пружины, действующей через штангу на торцевую контактную поверхность иглы. Исходя из назначения и условий работы направляющего, уплотняющих, запорного и управляющих элементов сопряжений, к ним предъявляются требования по обеспечению гидравлической плотности, уплотняющих и «запирающих» свойств, подвижности иглы и т.п. Выполнение этих требований достигается подбором оптимального зазора в трибосопряжениях с учетом деформационного (вследствие установочных, механических и тепловых воздействий) и гидродинамического защемления иглы, соосности направляющих поверхностей и уплотняющего конуса (особенно в удлиненных распылителях), минимизацией изгибающих усилий, воздействующих на иглу со стороны штанги и др.
Уменьшение зазора в прецизионном трибосопряжении происходит вследствие накопления нагаро-лаковых отложений при поднятой игле в процессе впрыскивания и при медленном охлаждении распылителя остановленного дизеля [13, 116]. Накопление отложений вызвано повышенной температурой топлива и, как следствие, ускоренными химическими превращениями с выделением смолистых веществ на поверхностях распылителя, особенно на выступающей части иглы.
Топливная среда, исполняющая роль смазки, характеризуется наличием агрессивных сернистых соединений, вызывающих коррозию трущихся поверхностей, механических примесей различного происхождения. Распылители дизелей подвержены изнашиванию и отказам. Это прежде всего изнашивание поверхностей направляющего отверстия корпуса и иглы, а также запорного конуса. К отказам относится нарушение подвижности иглы, вызванное рядом факторов, приводящих к полной потере подвижности иглы. В процессе работы распылители нагреваются до температуры, превышающей 180 С, что приводит к снижению поверхностной твердости материала. Анализ изнашивания элементов распылителя в процессе эксплуатации свидетельствует, что игла изнашивается по поверхностям: направляющей, запорного конуса, упора и хвостовика. Наибольший износ (1...3 мкм) направляющей поверхности наблюдается со стороны запорного конуса, в результате чего игла приобретает коническую, а корпус - седлообразную форму. Поверхности запорного конуса иглы и корпуса распылителя воспринимают ударную нагрузку со стороны пружины форсунки притертым пояском и абразивное действие твердых частиц в топливе. Поверхность запорного конуса иглы изнашивается в средней части на 40...85 мкм.
Износ поверхности верхнего торца иглы составляет 45...65 мкм. От смятия верхнего торца иглы на кромке образуются заусенцы. Суммарный износ верхнего торца иглы, нижнего торца корпуса форсунки и запорных конусов увеличивает высоту подъема и скорость движения иглы.
В корпусе распылителя изнашиваются поверхности направляющего отверстия, запорного конуса и распыливающих отверстий. Цилиндрическое отверстие корпуса становится коническим, большее основание конуса направлено к нижнему торцу распылителя, причем износ нижней кромки отверстия достигает 3...5 мкм. Значительному изнашиванию в корпусе подвергается запорный конус. Глубина изношенной поверхности седла в среднем достигает 50...80 мкм. В результате износа игла «проседает», увеличивается ее высота подъема, ухудшается герметичность. Суммарный износ седла корпуса и запорного конуса иглы вызывает ее «проседание» до 140...180мкм.
Гидравлическая плотность распылителя снижается из-за увеличения зазора в направляющем сопряжении и изнашивания запорного конуса иглы и корпуса. Скорость падения давления у изношенных распылителей в 3 раза больше, чем у новых. Износ элементов распылителя приводит к снижению качества распыливания топлива. В этой связи улучшение условий функционирования прецизионного трибосоп-ряжения целесообразно интенсификацией независимого охлаждения иглы и корпуса распылителя, тепловой защитой его элементов, профилированием направляющей, уплотняющих и запорных поверхностей, а также оптимизацией величины и характера изменения зазора с учетом деформирования деталей в процессе изнашивания, а также физико-химических и теплофизических свойств и состояния топлива [3,48,80,89, 107]. 2.3. Свойства материала элементов распылителя, топлива и рабочих газов
Температурное состояние распылителя топливной форсунки дизеля определяется особенностями термодинамического взаимодействия трех сред, отличающихся физическим состоянием: жидкой среды — моторного топлива, газовой среды - воздуха и продуктов сгорания топливовоздушной смеси и твердой среды - материала, из которого изготовлены элементы распылителя.
Среди основных физико-химических свойств моторных топлив целесообразно выделить теплофизические свойства, определяющие их охлаждающую способность. Охлаждающая способность моторных топлив определяется теплоемкостью, теплопроводностью, фракционным составом, термической стабильностью, плотностью и вязкостью.
Удельная теплоемкость углеводородных топлив при нормальных условиях составляет 1,5...2,1 кДж/(кг С) и с повышением температуры заметно возрастает. С увеличением отношения содержания углерода к содержанию водорода (С/Н) теплоемкость топлива уменьшается. Наибольшую теплоемкость имеют алкановые углеводороды нормального строения [12]. С повышением давления теплоемкость топлива несколько уменьшается, а с повышением одновременно и температуры, теплоемкость уменьшается более интенсивно.
Теплопроводность моторного топлива оказывает влияние на процесс теплоотдачи, особенно при турбулентном режиме его движения. Чем выше теплопроводность, тем лучше охлаждающие свойства топлива. Теплопроводность моторных топлив зависит от их химического состава и температуры. С повышением температуры теплопроводность моторных топлив уменьшается, причем более интенсивно у легких топлив. Давление несущественно влияет на теплопроводность моторных топлив.
Особенности гидродинамического нагружения элементов распылителя
Работа направляющего прецизионного сопряжения определяется особенностями гидродинамического нагружения. Игла совершает в корпусе распылителя принудительное возвратно-поступательное движение с возможным поворотом вокруг своей оси на произвольный угол. Монтажные, а также механические и температурные деформации отверстия корпуса в соответствии с рисунком 3.3, б, повышенный износ и образование лаковой пленки на поверхностях, вследствие разложения топлива приводят к нарушению соосности иглы и отверстия в корпусе распылителя [125, 126].
Износ поверхностей отверстия корпуса и иглы распылителя вызван попаданием абразивных частиц в зазор между ними, эрозией и коррозией, а также упруго-пластическим деформированием с отделением разрушенных частиц из-за интенсивного трения при контактировании. На интенсивность износа оказывает существенное влияние характер трения при контактировании и взаимном перемещении поверхностей элементов в сопряжении. В зависимости от характера их взаимодействия выделяют: жидкостное, граничное и сухое трение [55]. Наличие топливного слоя в радиальном зазоре между направляющей частью корпуса и иглой распылителя, при взаимном перемещении, обуславливает явление жидкостного трения. При деформации корпуса и уменьшении радиального зазора появляется дискретный контакт между иглой и корпусом, в результате чего возникает граничное трение, а при дальнейшем уменьшении зазора и выдавливании слоя топлива из зазора, трение становится сухим.
В рассматриваемом прецизионном сопряжении при граничном трении возможно появление известных видов фрикционных связей [57, 126]: упругое деформирование и пластическое оттеснение металла в контактных зонах, разрушение поверхностных слоев, «схватывание» поверхностей с микровырывом материала и др. Результатом проявления последних являются прогрессирующий износ, снижение подвижности и «зависание» иглы в корпусе распылителя. При отсутствии деформации и износа элементов цилиндрического трибосопря-жения силы давления жидкости уравновешиваются в радиальном направлении, а поверхности скольжения разделены граничным слоем жидкости [7]. Следует отметить, что последнее состояние элементов сопряжения не является стабильным в течение всего срока службы распылителя.
Переменное по длине и в поперечной плоскости сечение радиального зазора и в этой связи неравномерное распределение давления в топливном слое трибосопря-жения, обусловленные монтажными и температурными деформациями, износом элементов и контактным взаимодействием через штангу с пружиной форсунки, приводят к неустойчивому положению иглы в отверстии корпуса распылителя. В соответствии с рисунком 3.4 неустойчивое положение иглы в отверстии корпуса распылителя обусловлено появлением неуравновешенной, изменяющейся по величине и направлению, радиальной силы N давления топлива, которая, вызывая локальное уменьшение радиального зазора и толщины топливного слоя вплоть до непосредственного контакта поверхности иглы с поверхностью корпуса, часто соизмерима с усилием затяжки пружины форсунки [126]. Неустойчивое положение иглы формируется эксцентричным отклонением ее оси при нелинейном увеличении его поперечного сечения по направлению потока топлива, которое обусловлено неравномерным распределением давления в радиальном кольцевом зазоре. В зависимости от величины отклонения оси иглы от оси отверстия в корпусе происходит постепенное и последовательное изменение характера трения в рассматриваемом сопряжении от жидкостного к граничному.
Появление радиальной силы, действующей на иглу, вызывает изменение, как характера, так и силы трения. Связь силы трения с динамикой изменения давления топлива заметно наблюдается в период «страгивания» иглы с места и в начальный период повышения давления при впрыскивании топлива.
При условии изготовления, сборки и эксплуатации форсунки в соответствии с техническими требованиями, в распылителе обеспечиваются требуемые условия работы прецизионного сопряжения. Минимальные монтажные и рабочие деформации гарантируют в начале эксплуатации режим жидкостного трения в сопряжении, характеризующийся несущественной радиальной силой давления топлива на иглу. При этом лишь незначительно изменяется толщина топливного слоя между поверхностями иглы и корпуса распылителя, сохраняя определенное время режим жидкостного трения с минимальным значением коэффициента трения. С течением времени, различные эксплуатационные факторы, такие как: колебания показателей качества топлива, коксование его в распыливающих отверстиях, превышение расчетной нагрузки дизеля, переустановки и ремонт форсунки, повышение температурного состояния сопряжения и т.п., приводят к увеличению неравномерности деформирования и появлению несоосности корпуса и иглы. Последнее сопровождается повышением радиальной силы давления топлива на иглу, локальным уменьшением радиального зазора, и, следовательно, толщины топливного слоя в сопряжении.
Существенное (в 1,86... 1,92 раза в зависимости от нагрузки дизеля) снижение радиальной силы в сопряжении достигается, например уменьшением диаметра с 6 мм до 4,5 мм и длины с 18 мм до 12 мм направляющей части иглы.
Влияние конструкции на температурное состояние распылителя
Опыт эксплуатации распылителя, в том числе и на различных видах топлива, свидетельствует о коксовании топлива в распыливающих отверстиях и потере герметичности запорного и гидравлической плотности направляющего прецизионных сопряжений, как об основных проблемных факторах при обеспечении работоспособности. В этой связи рассмотрены некоторые конструктивные решения, направленные на снижение температуры распылителя в области распыливающих отверстий и указанных сопряжений. Это, прежде всего увеличение числа наклонных топ-ливоподводящих каналов в корпусе, введение кольцевых проточек на поверхности иглы, изменение теплопроводности материала иглы и введение тепловой защиты распылителя. В качестве дополнительного варианта предприятием для модификаций дизелей, эксплуатируемых в жарком и влажном климате, предполагается использование удлиненного распылителя, обладающего достаточным ресурсом при высоких давлениях впрыскивания [150]. В этой связи оценке теплового состояния подвергались различные варианты конструктивного исполнения распылителя.
Тепловое состояние распылителя в значительной степени зависит от особенностей установки форсунки в головке блока дизеля. Топливные форсунки установлены в головке блока в специальном латунном стакане, который омывается охлаждающей жидкостью системы охлаждения дизеля, поэтому предварительно производилась оценка теплового состояния распылителя в комплексе с установочным узлом форсунки, что позволяет на стадии определения граничных условий теплообмена оценить температуру деталей непосредственно контактирующих с корпусом распылителя. Для этой цели помимо граничных условий теплообмена распылителя с рабочими газами и топливом необходимо знание теплофизических свойств материалов деталей, контактирующих с распылителем, рабочую температуру охлаждающей жидкости и коэффициент теплоотдачи от поверхностей этих деталей к ней на исследуемом режиме работы дизеля (Рс= 0,9 МПа, п = 1250 мин"1, дизельное топливо).
Распределение температуры в сечении штатного распылителя в соответствии с рисунком 4.5, а, позволяет утверждать, что максимальная температура корпуса в области носка составляет 315 С, а минимальная температура, наблюдаемая на хвостовике иглы, контактирующим со штангой форсунки, составляет 105 С. В области распыливающих отверстий температура корпуса распылителя изменяется по длине этих отверстий от 240 до 255 С, что превышает рекомендуемые, с точки зрения склонности и интенсивности коксования, значения при работе дизеля на дизельном топливе на 30...45 С. Наибольшие градиенты температуры наблюдаются на носке распылителя и запорной части иглы. Характерно, что в районе уплотняющей прецизионной части температура иглы и корпуса распылителя изменяется от 135 С в верхней области до 195 С в нижней. Такой уровень температуры в прецизионной части иглы не позволяет обеспечить ее длительную работоспособность. Благодаря охлаждающему действию топлива в полостях корпуса, температура в нижней части иглы несколько уменьшается, сохраняя в зоне контакта с запорным конусом повышенные значения (до 195 С). Тепловой поток, двигаясь вверх от носка по корпусу распылителя, в уплотняющей части разветвляется на два потока, первый из которых устремляется вверх вдоль иглы, а второй через нижнюю часть иглы отводится топливом. Сложный характер движения теплового потока обусловлен особенностями конструкции и формы поперечного сечения топливной полости и охлаждающей способностью топлива.
Как отмечалось выше, для дизеля 4ЧН15/20,5 предусматривается установка форсунки с альтернативным вариантом распылителя удлиненного типа с удаленной от области с высокой температурой прецизионной частью. В этой связи представляют интерес результаты расчетной оценки теплового состояния такого типа распылителя, выполненные ранее, с целью сравнения уровня температур, как в области прецизионных сопряжений, так и в области распыливающих отверстий, с таковыми у штатного распылителя на одном и том режиме работы дизеля [66].
В отличие от штатного распылителя сопловые отверстия удлиненного распылителя расположены в подыгольной полости и не выходят на поверхность запорного конуса. Распределение температуры в сечении удлиненного распылителя свидетельствует о том, что наибольшее значение температуры наблюдается на носке и составляет 255 С, а наименьшее ее значение - 105 С достигается на хвостовике иглы. Направление теплового потока в корпусе несколько отличается от осевого, вследствие особенностей конфигурации топливной полости и охлаждающего действия топлива в ней. Необходимо отметить пониженный уровень температуры в области запорного прецизионного сопряжения иглы удлиненного распылителя, которая составляет в среднем 110 С.
В области прецизионного сопряжения температура составляет 135... 140 С, что в среднем на 38...40 С ниже температуры в аналогичной области штатного распылителя. Это объясняется удаленностью прецизионной части от огневой поверхности головки блока и охлаждающим действием топлива в удлиненной топливной полости. Указанное обстоятельство является несомненным преимуществом удлиненного распылителя, поскольку повышает работоспособность прецизионных сопряжений. Температура в области распыливающих отверстий удлиненного распылителя практически не отличается от таковой у штатного распылителя и составляет 240...250 С, что превышает рекомендуемые, с точки зрения склонности и интенсивности коксования, значения при работе дизеля на дизельном топливе на 30.. .40 С. В целях улучшения распределения топливной пленки в направляющем цилиндрическом прецизионном сопряжении на поверхности иглы выполняют кольцевые проточки различной конфигурации и количества, в которых во время работы аккумулируется и своевременно расходуется некоторый объем топлива. Эффективность этого технического решения зависит от конфигурации поперечного сечения и, особенно, от числа и расположения кольцевых проточек. Для оценки влияния числа кольцевых проточек і на температурное состояние распылителя в целом и прецизионных сопряжений в частности выполнен анализ распределения температур для распылителей с различным числом кольцевых проточек на игле (рисунок 4.5). Следует отметить, что максимальные температуры направляющего сопряжения наблюдаются в его средней зоне.
