Диагностирование форсунок тепловозных дизелей по объему сливаемого топлива из дренажной магистрали Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

товке штамповочного производства полых ступенчатых изделий и полуфабрикатов с переходом конической формы в 50° между цилиндрическими участками либо представляющих собой сочетание цилиндрической и конической частей.

Библиографический список

1. Аверкиев Ю. А. Определение наибольшей степени деформации при обжиме пустотелых цилиндрических заготовок в конической матрице // Кузнечно-штамповочное производство. 1966. № 11. С. 19-22.

2. Агеев Н. П., Кривицкий А. Г. Анализ устойчивости тонкостенных заготовок при обжиме в конической матрице // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1980. № 1. С. 96-100.

3. Мосин Ф. В. Технология изготовления деталей из труб. М.-Л.: Машгиз, 1962. 172 с.

4. Коновалов В. А., Нельднер В. И., Устинов Д. А. Влияние параметров инструмента на формоизменение трубной заго-

товки с относительно толстой стенкой при холодном обжиме конической матрицей // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2012. № 2 (110). С. 86 — 89.

5. Haarsheidt, K. Das Verjungen von Hohlkörpern // Blech Rohre Profile. 1982. 29. № 2. S. 63-67.

6. Третьяков А. В., Зюзин В. И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1973. 224 с.

7. Холодная объемная штамповка: справочник / Под ред. Г. А. Навроцкого [и др.]. М.: Машиностроение, 1973. 495 с.

КОНОВАЛОВ Валерий Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроения и материаловедения.

БЕЛОВ Сергей Игоревич, магистрант гр. Мм-151 факультета элитного образования и магистратуры. Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 27.12.2016 г. © В. А. Коновалов, С. И. Белов

УДК 62.144 ю. п. МАКУШЕВ

Л. Ю. ВОЛКОВА

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,

г. Омск

Калининградский государственный технический университет, г. Калининград

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ФОРСУНОК ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПО ОБЪЕМУ СЛИВАЕМОГО ТОПЛИВА ИЗ ДРЕНАЖНОЙ МАГИСТРАЛИ_

Предложена методика, позволяющая по величине утечек топлива из форсунок с гидромеханическим управлением определять зазор между иглой и корпусом распылителя. Для топливной аппаратуры с электрогидравлическим управлением и г лы форсунок выполнен расчет топлива, сливаемого через клапан, определены утечки топлива в зависимости от давления в аккумуляторе, величины з азора в распылителе и в п аре «управляющий поршень — направляющая». Приведен контроль технического состояния клапанов управления по величине объема сливаемого топлива из штуцера форсунки. Ключевые слова: форсунка, диагностирование, утечки, зазор, клапан управления.

1. Топливные системы с гидромеханическим управлением хода иглы распылителя форсунки.

Эффективность работы дизеля в основном зависит § от форсунок, техническое состояние которых можно определить по анализу объема топлива, сливаемого из дренажной магистрали, по изменению давления в трубопроводе высокого давления и перемещению иглы распылителя.

В процессе работы дизеля часть топлива под действием перепада давления вытекает из камеры распылителя форсунки через зазор между иглой и направляющей. При зазорах в распылителях форсунок более 10 мкм утечки способствуют уменьшению подачи топлива, снижая мощность дизеля.

По величине утечек топлива (диагностический параметр) в эксплуатации можно определить зазор в распылителе и износ направляющей. Для этой цели экспериментальным путем определяют утечки топлива в зависимости от известной величины зазора распылителя. По величине утечек топлива в эксплуатации определяют зазор в распылителе и делается заключение (анализ) о целесообразности его дальнейшей работы.

Для тепловозных и судовых дизелей с высоким остаточным давлением предельный износ распылителей (диаметральный зазор) составляет 6-8 мкм (при уменьшении гидравлической плотности с 20 до 2 с) [1].

Таблица 1

Изменение технического состояния форсунок дизеля в эксплуатации

Диагностируемый параметр форсунки Техническое состояние форсунки

Исправное Неисправное Отказ

1. Износ пары «игла — корпус распылителя». Начальный зазор (диаметральный) 2 — 4 мкм. Начальный зазор плюс 3 мкм Зазор более 8 мкм Зазор более 10 мкм

2. Нарушение герметичности посадочного конуса иглы и корпуса распылителя. Сухой носик распылителя Увлажнение носика распылителя Образование капель на носике распылителя

3. Зависание иглы распылителя. Подвижная игла Потеря подвижности Игла неподвижная

4. Снижение давления начала открытия иглы от нормативного, например, 34 МПа. Нормативное значение Снижение давления на 20 % Снижение давления более чем на 20 %

В табл. 1 показано изменение конструктивных и регулировочных параметров форсунок дизеля 16ЧН 26/26 в эксплуатации, которые соответствуют исправному, неисправному состоянию или отказу. Главные неисправности распылителя, переходящие в отказ — износ прецизионной пары «игла — корпус распылителя», течь топлива из посадочного конуса, защемление иглы, снижение давления открытия иглы. Для исправного состояния форсунки ее параметры должны соответствовать нормативно-техническим значениям.

На рис. 1 показан разрез форсунки тепловозного дизеля 16ЧН 26/26. Утечки топлива, прошедшие через зазор в распылителе, отводятся из полости форсунки при помощи трубопровода 14. В данной работе оценку величины диаметрального зазора в прецизионной паре «игла — корпус распылителя» предложно определять косвенным путем по объему утечек топлива.

Утечки топлива за цикл (360°) зависят от остаточного давления в линии нагнетания, давления под иглой в полости форсунки, диаметра иглы, зазора в распылителе, длины уплотняющей поверхности корпуса распылителя и динамической вязкости топлива. Система подачи топлива с высоким остаточным давлением более «чувствительна» к изменению зазора в распылителях. При значительной величине остаточного давлении в линии нагнетания (например, 10 МПа) топливо вытекает из форсунки в течение всего цикла и достигает значений в несколько раз больше, чем в системах с малым остаточным давлением.

Величина утечек топлива из форсунок определялась расчетным путем. Погрешность расчетных и экспериментальных данных не превышала 7—10 %.

Объем утечек топлива через пару «игла — корпус распылителя» в м3 за время Д£ определялся расчетным путем по формулам [2]:

у =р-й-53-р _1 _ ,

у 12 -1-т 1 ф ,

V =*•й-53-р - -Д, ,

12-1 -т

(1)

(2)

где й — диаметр иглы, м; 5 — радиальный зазор, м; р — коэффициент, учитывающий эксцентричное расположение иглы в направляющей (1,1 — 1,2); 1 — длина направляющей части иглы, м; т — коэффициент динамической вязкости топлива, Нс/м2; Рф — переменное по величине давление в канале фор-

Рис. 1. Форсунка дизеля 16ЧН 26/26: 1 — сопловой наконечник; 2 — корпус распылителя; 3 — игла; 4 — канал; 5 — колпак; 6, 10 _ уплотнения; 7 — штанга; 8 — корпус; 9 — пружина; 11 — винт регулировочный; 12 — контргайка; 13 — штуцер; 14 — трубопровод отвода утечек; 15 — гайка; 16 — штуцер для подвода топлива

сунки в период подачи топлива, Н/м2; Ро — остаточное давление, Н/м2.

По формуле (1) определяются утечки в системах подачи топлива без остаточного давления. Время утечек (от ^ до зависит от продолжительности процесса изменения давления в форсунке (30 — 40° поворота кулачкового вала насоса). По формуле (2) определяются утечки в системах подачи топлива с учетом остаточного давления (давления между впрысками). Топливо дополнительно вытекает через зазор между иглой и корпусом распылителя за период между впрысками (320 — 330°).

Продолжительность времени Д£ утечек топлива через зазор в распылителе зависит от величины угла Дф (град) и от частоты вращения вала насоса в минуту п. Для Дф = 40 град. и п = 500 мин-1

= Аф =_4^ = 0 3 с.

6-п 6-500

(3)

13

мм цикл

120

Ч

60 М

20 О

1-Р0 = 20 МП а, 2 - Р0 = 15 МПа з-р0 = ю т. ь-р0 =5 МПа 5 - Р0 =0 МПа

/3

Г /

5У

-тТм III мм

О 2

I, 6

Рис. 2. Изменение утечек топлива за цикл в зависимости от радиального зазора и остаточного давления

На рис. 2 приведены расчетные значения утечек топлива за цикл в зависимости от величины зазора в распылителе форсунки и остаточного давления для тепловозного дизеля 16ЧН 26/26 [3].

В расчетах частота вращения кулачкового вала насоса принята 500 мин-1, диаметр иглы 8 мм, длина уплотняющей части распылителя 26 мм, среднее давление в форсунке 50 МПа, продолжительность превышения давления в форсунке над остаточным 40°, динамическая вязкость топлива 2'10-3 Па'с, кинематическая вязкость 2,4 сСт [4].

При радиальном зазоре 5 мкм (диаметральный 10 мкм) утечки топлива из линии высокого давления за цикл равны 20 мм3 (остаточное давление 20 МПа, см. рис. 2). Утечки топлива приводят к уменьшению цикловой подачи примерно на такую же величину и снижают эффективную мощность дизеля.

При диаметральном зазоре более 10 мкм центральные оси корпуса распылителя и иглы не совпадают (смещаются), что нарушает герметичность запирающей части конуса. Утечки топлива через посадочный конус приводят к образованию кокса в сопловых отверстиях распылителей и повышают вредные выбросы с отработавшими газами. По этой причине форсунка, у которой распылитель имеет диаметральный зазор более 10 мкм, считается аварийной (неисправность переходит в отказ) и распылитель заменяется новым.

В работе [5] показано, что увеличение диаметрального зазора в распылителе более чем на 13 мкм значительно влияет на протекание процесса впрыска в результате утечек топлива, особенно на режимах пуска и холостого хода.

В последнее время вместо топливных систем с механическим управлением внедряют аккумуляторные системы с электронным управлением.

2. Топливная система с электрогидравлическим управлением хода иглы распылителя форсунки. При замене топливной аппаратуры тепловозных дизелей с механическим управлением на электронное необходимо знать их устройство, принцип действия, расчет, эксплуатацию, диагностирование и ремонт. На рис. 3 показан разрез форсунки с электрогидравлическим управлением хода иглы [6]. Пружина 17 через шток якоря 13 прижимает шариковый клапан

Рис. 3. Форсунка с электрогидравлическим управлением: 1 — корпус распылителя; 2 — игла; 3 — гайка; 4 — штифт; 5 — втулка; 6 — пружина; 7 — шток; 8 — канал отвода утечек; 9 — втулка; 10 — управляющий поршень; 11 — отсечной жиклёр = 0,35 мм); 12 — клапан управления; 13 — шток якоря; 14 — отверстие для отвода утечек; 15 — втулка; 16 — катушка электромагнита; 17 — пружина якоря; 18 — сердечник; 19 — штуцер; 20 — разъем питания; 21 — наполнительный жиклёр (^ = 0,35 мм); 22 — штуцер; 23 и 24 — отверстия

управления 12, который закрывает жиклёр (отверстие) 11. Когда клапан 12 находится в закрытом состоянии, то давления топлива в камере управления и в полости под иглой 2 будут равны друг другу. Площадь поршня 10 больше площади иглы 2, поэтому усилие со стороны поршня будет больше, чем со стороны иглы, и она будет находиться в закрытом состоянии.

При подаче напряжения на катушку электромагнита 16 якорь 13 будет притянут к сердечнику 18, сжимая пружину 17. Клапан управления 12 откроется, и топливо через перепускное отверстие будет вытекать из камеры управления, снижая давление над управляющим поршнем 10. Игла 2 под действием высокого давления переместится в верхнее положение и откроет доступ к сопловым отверстиям, обеспечивая начало впрыска топлива. Форсунка данного типа способна изменять угол опережения подачи топлива и характеристику впрыска.

На рис. 4 показана двухфазная характеристика впрыска топлива, рекомендуемая для тепловозных дизелей. Применение данной характеристики в дизеле позволит снизить жесткость процесса сгорания, токсичность отработавших газов и расход топлива. Запальная (предварительная) порция топлива (10-20 %) поступает в камеру сгорания для повышения в ней

температуры и создания вихревого движения воздушного заряда. Основная порция топлива (80 — 90 %) подается в разогретую камеру, задержка самовоспламенения уменьшается, что снижает жесткость процесса сгорания.

Площадь под кривой представляет собой действительную подачу топлива за цикл. Запальная порция топлива равна 150 мм3, а основная — 850 мм3. Общая подача будет равна 1 000 мм3. Продолжительность впрыска топлива составила 0,006 с или 36° угла поворота коленчатого вала.

При нарушении герметичности перепускного клапана, увеличении утечек топлива через зазоры «игла — корпус распылителя» и «управляющий поршень — направляющая» характеристика впрыска изменяется, что приводит к уменьшению цикловой подачи, нарушению баллистики топливного факела.

Из отсечного отверстия (жиклера) 11 (см. рис. 3) при его открытии вытекает топливо (для процесса управления) за впрыск объемом, равным

vyn=m рж J-t=тРж

2DP

V Рт

(4)

где — эффективное сечение отсечного жиклера, м2; — скорость истечения топлива через жиклер, м/с; АР — средняя величина давления топлива в камере управления, Н/м2; рг— плотность топлива, кг/м3; t — время впрыска, с.

При среднем давлении в камере управления ДР=100-106 Н/м2, плотности топлива рг =850 кг/м3, [xFM =0,076-10 6 м2 (d2 = 0,35 мм, ц=0,8) и времени 0,005 с (для продолжительности впрыска 15° и частоты вращения вала насоса 500 мин-1) объем сливаемого топлива из камеры управления за впрыск составит 174-10 9 м3 или 174 мм3. За 1 минуту форсунка совершает 500 циклов впрыска, и объем сливаемого топлива составит 87 000 мм3 или 87 см3.

3. Диагностирование форсунок с электрогидравлическим управлением хода иглы распылителя. В процессе диагностирования форсунок с электрогидравлическим управлением проверяют герметичность клапана управления. Критерием герметичности клапана (его исправности) и изменение его хода может служить величина объема сливаемого топлива из форсунки. При требуемой герметичности клапанов величина сливаемого топлива из камеры управления каждой из форсунок должна быть одинаковой.

На рис. 5 показана установка, состоящая из мерных емкостей для контроля герметичности клапанов управления. Мерная емкость соединена со штуцером 19 форсунки (см. рис. 3). Объем сливаемого топлива из одной форсунки вместе с утечками при работе двигателя на номинальной частоте вращения коленчатого вала за одну минуту не должен превышать 150 см3 [7].

Сливаемое топливо из форсунок с электрогидравлическим управлением хода иглы представляет собой сумму утечек топлива через зазор в распылителе, управляющего поршня и слив топлива, необходимый для процесса управления иглой распылителя.

Разделить экспериментально утечки топлива через зазоры в распылителе и управляющем поршне от общего сливаемого топлива из штуцера форсунки можно путем отключения питания электромагнитного клапана. Давление топлива в аккумуляторе во время отбора утечек должно соответствовать номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Рис. 4. Характеристика впрыска с предварительной и основной подачей топлива

Рис. 5. Контроль технического состояния клапанов управления по объему сливаемого топлива из штуцера форсунки

Утечки топлива через пару «игла — корпус распылителя» или «управляющий поршень — направляющая» за время Дí определялись по формуле [2]

V, -DP Dt,

у 12-1-|m

(5)

где d — диаметр иглы или поршня управления, м; 5 — радиальный зазор, м; 1 — длина направляющей части иглы (поршня), м; ДР — давление топлива в полости под иглой и камере управления, Н/м2; динамическая вязкость топлива 3-10-3 Па-с. Диаметр иглы был принят 8 мм, управляющего поршня — 9 мм, длина уплотняющей части иглы и управляющего поршня — 26 мм.

Расчетные значения утечек через прецизионные пары «игла — корпус распылителя» и «управляющий поршень — направляющая» в зависимости от величины зазора и давления приведены в табл. 2 и 3. При диаметральном зазоре 10 мкм утечки топлива через зазор в распылителе и управляющем поршне (при давлении 150 МПа) достигают значения, равного 117,5 мм3, что окажет отрицательное влияние на протекание процесса впрыска топлива.

По значению утечек топлива для давления в аккумуляторе от 50 до 200 МПа определяют зазоры

Таблица 2

Утечки топлива в мм за цикл через пару «игла - корпус распылителя» в зависимости от величины зазора и давления в аккумуляторе

Давление в аккумуляторе, МПа Диаметральные зазоры в распылителе, мкм

2 4 6 8 10 12

50 0,18 1,44 4,8 11,5 22,5 38,8

100 0,36 2,88 9,6 23,0 45,0 77,6

150 0,54 4,32 14,4 34,5 67,5 116,4

200 0,72 5,76 19,2 46,0 90,0 155,2

Утечки топлива в мм3 за цикл через пару «управляющий поршень - направляющая» в зависимости от зазора и давления в камере управления

Таблица 3

Давление в аккумуляторе и среднее в камере управления, МПа Диаметральные зазоры, мкм

2 4 6 8 10 12

50; 33 0,13 1,04 3,5 8,32 16,2 28,0

100; 70 0,28 2,24 7,5 18,0 35,0 60,5

150; 100 0,40 3,2 10,8 25,6 50,0 86,4

200; 135 0,54 4,32 14,6 34,5 67,5 116,6

в парах «игла — корпус распылителя», оценивают их предельную величину и определяют возможность дальнейшей эксплуатации.

Результаты расчета показывают (см. табл. 2 и 3), что при давлении в аккумуляторе 150 МПа, диаметральном зазоре в распылителе и управляющем поршне 10 мкм слив топлива и утечки за одну минуту составят 145 см3 (87 + 33 + 25), что не превышает допустимое значение 150 см3 [7].

Выводы.

1. Предложена методика, позволяющая по величине утечек топлива из форсунок с гидромеханическим управлением определять величину зазора между иглой и корпусом распылителя. Предельный диаметральный зазор в распылителе принят равным 10 мкм.

2. Применение форсунок с электрогидравлическим управлением позволяет организовать двухфазный впрыск топлива с целью снижения расхода топлива, жесткости процесса сгорания, токсичности отработавших газов.

3. Для топливной аппаратуры с электрогидравлическим управлением иглы форсунок выполнен расчет сливаемого топлива через клапан, определены утечки топлива в зависимости от давления в аккумуляторе, величины зазора в распылителе и в паре «управляющий поршень — направляющая».

4. Приведен контроль технического состояния клапанов управления форсунок по величине объема сливаемого топлива из штуцера форсунки.

Библиографический список

2. Михайлова Л. Ю. Диагностика форсунки дизеля по анализу хода иглы и утечкам топлива // Вестник инновационного Евразийского университета. 2011. № 3 (43). С. 99 — 105.

3. Волкова Л. Ю. Совершенствование диагностирования технического состояния форсунок тепловозных дизелей: авто-реф. дис. ... канд. техн. наук: 05.22. 07. Омск, 2014. 19 с.

4. Макушев Ю. П., Михайлова Л. Ю., Филатов А. В. Химмотология: учеб. пособие. Омск: СибАДИ, 2010. 160 с.

5. Роганов С. Г., Макушев Ю. П. Влияние зазора в распылителе форсунки на процесс впрыска и некоторые показатели дизеля // Известия вузов. Машиностроение. 1978. № 1. С. 97-101.

6. Макушев Ю. П. Системы питания двигателей внутреннего сгорания: метод. указания к лабораторным и практическим работам по профилю подготовки «Двигатели внутреннего сгорания». Омск: СибАДИ, 2012. 84 с.

7. Губертус Гюнтер. Диагностика дизельных двигателей / пер. с нем. Ю. Г. Грудского. М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2004. 176 с.

МАКУШЕВ Юрий Петрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры тепловых двигателей и автотракторного электрооборудования Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии, г. Омск. Адрес для переписки: [email protected] ВОЛКОВА Лариса Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры судовых энергетических установок и теплоэнергетики Калининградского государственного технического университета. Адрес для переписки: [email protected]

1. Марденский В. П. Топливная аппаратура судовых дизелей. 2-е изд. М.: Транспорт, 1973. 168 с.

Статья поступила в редакцию 14.11.2016 г. © Ю. П. Макушев, Л. Ю. Волкова