CC BY
227
УДК «1436 Л. Ю. ВОЛКОВА
Омский государственный университет путей сообщения
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО ПРОХОДНОГО СЕЧЕНИЯ РАСПЫЛИ ТЕЛЯ ДИЗЕЛЯ РАСЧЕТНЫМ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ПУТЕМ, ЕГО ИЗМЕНЕНИЕ В ПРОЦЕССЕ ОБРАЗОВАНИЯ КОКСА
Приведена методика расчета и номограмма для определения эффективного проходного сечения распылителей Кюрсунок дизелей. Показано, что при закоксо-вывании распылителя умедьшаеася ^ечаниа<^с^паозо^х отвертмвн нуанлич^^^(^1гса продолжительность впрыскивания. Дана схема стенда и методика для экспериментального опрераенн^я зрохоеноносеченлераспылителя. Ключевые слова: распьшптель, прохоумое cечерад,coдкoзoл отверстие, ддас, причины закоксовывания.
1. Методика расчета эффективного пропарного сечения распылителя. Главным параметром распылителя является его выходное сечение или дф-фективное проходное сечение др, опредаенвмое при полном подъеме иглы. Обычно коэффициент расхода ц равен 0,62 — 0,82 [1] и представляет ом-бой отношение действительного расхода н теорд-тическому расходу. Иногда значение ц определяют путем умножения коэффициента сжатия струи на коэффициент скорости (отношение дейстмитгль-ной скорости к теоретической). Суммарная площадь сопловых отверстий р зависит от диамету а отверстий и их количества. Величина др для распылителей тепловозных дизелей лежит в пределах 0,6 — 1,0 мм2. Для конкретного дизеля с заданной цилиндровой мощностью величина др уточняется при доводке рабочего процесса.
ИЧа дис. Г показаи разром съемногесоплового наконечника распылителя форсунки дизеля 5Д49, а в оапл. 1 указаны его .сзди^у
Основные характеристики форсунок тепловозных дизелей 10Д100 и 5Д49 приведены в табл. 2.
В еауестве промера определдл уасчетнымпуумм суммарное значение проходного сечения сопловых отверстий распылителя, их число и диаметр для по-оаедоизаанеавм зоомуее в оамеру сгатанияииз е-ля ООО «Коломенский завод» 16ЧН26/26. Среднее давлениеогде° лoплoвымоoтвскнтрзлупкинр]кaнм равн ых ЬХ МПа (4М* Из 6 н/м2), т еедзoаcть ензмль-ного топлива — 850 кг/м3.
Дуа пдасюй мнщеосьь дизеля в6ЧН 2е/2а (рД49) опрефелимци кловую подачу в мм3 по формуле:
Чц =
Че ■ ■1000 208■2944 ■ 1000
1 ■ пн ■ рг ■ 60 16 ■ 500 ■ 0,85 ■ 60
= 1500 мм3
(1)
Таблица1
Основные размеры соплового наконечника
Б, мм Б1, мм 1, мм 11, мм б, мм мм Число отверстий
14 10 14,5 6,5 2,0 0,39 9
Таблица 2
Характеристики форсунок
Параметр, обозначение, размерность 10Д100 5Д49
1. Давление открытия иглы, Рфо, МПа 20,6 34,4
2. Диаметр иглы в цилиндрической части, йи, мм 7 8
3. Диаметр иглы в конусной части, мм 5,1 6
4. Длина уплотняющей части иглы, 1и, мм 25,5 26
5. Ход иглы до ограничителя, Ли, мм 0,45 0,75
6. Число сопловых отверстий, х 3 9
7. Диаметр сопловых отверстий, й, мм 0,56 0,39
е
X
О го
Рис. 1. Сопловый наконечник распылителя форсунки
где де — удельный эффективный расход топлива, 208 г/(кВт«ч); Ые — полная (номинальная) мощность дизеля, 2944 кВт; г — число цилиндров, 16; пн — частота вращения вала насоса, 500 мин-1; рГ — плотность топлива, 0,85 г/см3.
Рассмотрим общее эффективное проходное сечение многодырчатого распылителя ^ (в сборе) как сумму трех последовательно соединенных сечений. Первое — максимальное эффективное сечение щели между конусом иглы и конусом корпуса распылите.«! (|1щ.Рщ).Принимаеы, что игла полностью открыта, наоориоои на «улоре», сееение щелп лосооянное. ^арое — эффективное сечение котлд-ца (н««)- «Соиао кол^с^/сцао акт елнплет -гснус таипуен распаелителя с соллосыми сооофстиями. Пропьт — эфсечееие сепловых рсоей (елл. )■ Г((]с:п плоагл отклсскии иглы оеа о^ли посл^па.овеп'уз.п.ь« на воодсн^^ниц^е лИoсreлппyющео с^лпал)с,^ия поота-япны. Учитыстл, что кождое дх двух первых сечениИ, больше оотелия чоплодые (п-готллстай, се ос-но^ноо coпpaтиcлапйo дтижущаго пoтоло топлиьа создаете л <Фоп;мо^-^]^х поупаллцал. Ррсчет тФФоктиС) фалло прохооното ртооуи^ норлоглиаедо 1« еаоре (/)ЬС (нполо^^ ¿утсортднего снoятния давоения сопл_и-искeи cецлокыми отварсоияспа Дод ьфецод ртсчетнош вссчено оТ oмpeдклим теоретинескую екорость истечепия дизе;л,посого-«ьлиоа ^а-л^о ссзпоо^ые отверстон
ог =1Г2- АР/рг ,
(2)
° ./2 • 400 • 107 /870 = 306 м/с
(3)
со = |П • 9-л
О = ди /I
(5)
Знди цpaдpкжитeльнупeь дпаыска тн в г«а,а,у/;^,
частоту вращения вала насоса пн в мин впоыска опле,г|1Е^лим из аыдтжпния
17
Ф *
6•пн 6 • 700
0,00766 с.
^ = О /
(7)
11 12 13 74 15 16 17 18 19 20 21 22 град
Рпс.2.Номограммадляопределенпя |Р в завпспмостпот д п фВ: 1 — ^ = 0,4 мм2; 2 — 0,5 мм2;
3 — 0,6мм2;4 — 0,7 м м2;5 — 0,8 мм2;6 — 0,9 мм2;
7 — 1,0 мм2
а = аИ- ■ с ■ V 100Л = 0,8Л 0,0-)566 -'ч Д '
■ ЮН • 1000= 1500 мм3, (8)
При птаффиииент8 расхода, равном (3,8, суммар-наяплтщадьсопловых отвсе-сий олставит 1 ,57Р мм2. При чпсит лосхи вых отверстий-, илощадь сечения хлносо С5>и^л^с1 _Рс отставилаО, 12 мм2. Пя плыестний величине плсощадп с.плооссо отвврстрр оа-еделим (ото диамут- Х
т«ес АР — лeлапкд даспсАоя тоцдивaпс50ы
оопловьшо посам=тиями, Н°к2 т аиTком
иои без /очтом лoкоаппя гестс т цилиндре)!
с л п \ 3,14 '
(9)
Объемный расходтоплива О из распылителя 5 м3/соппедслим ип вофаженыя
где о-Р — эффеклиеное проходное сеченис рдссоы лителя, м2;
Оьпемпыу аеc«цoлтинлФcо за оиаса л мм3/о мкж-но /предрлиоь поеш кирилкстяи («]ц(, подонноиу о камерусгораниязавремявпрыска I
Для тепловозных ди4елей мощностью более 500 кВт пс= оыС5а)и^<с — роспылхтеля озависимостх отцикловой подачи топлива и продолжительности слрыо ка предложена номограмма (рис.2)с Нмл о -ирамиапострорнрдлярратоты вращениявасм насоса пн = 500 мин-1,среднего давления топлива перед свтлиуыми (сосррктинми РР = 40 МПс, плоаоисти топлива рг = 850 кг/м3.
Каждая линия поля номограммы соответство-сома пссоояннос-о зняоррию -П1 и ссизмсоной скс-рости истечения топлива из сопла Изменялась толссо продопжлтельнчосввпрыслл ф= а оп]срдрря-нeвс цбспссаи подача то
Общая формула для расчета и построения номо-грапоы имеас вид
время
(6)
<Р,
Яц=^ Р 'л/2 • ДР / Рг • 1000.
6 • пи *
(10)
В тепловозных дизелях с интенсивной подачей топлива в камеру сгорания продолжительность впрыска составляет 15-20 градусов поворота кулачкового вала насоса.
Величина действительного объёмного расхода топлива через форсунку составит Ы = 1588 / 8,88арр = = 265000 мм3/с = 0,0002650 м3/с, откуда
^^ = 0,0002650 / 306 = 0,00000086 м2 = 0,86 мм2. Цикловая подача топлива проверялась по формуле (8) и равна расчетной величине, полученной из выражения (1):
Величина зависит от ДР. Так, для АР = 50, 100, 150 МПа значение достигает, соответственно, 340, 480, 590 м/с. Для постоянных |хР, ДР и пн, но переменной фВ (например, 10 ;15; 20; 25 0) определялась дц. По найденным точкам значений дц проводилась линия (например, для |!_Р = 0,5 мм2).
По данной номограмме для заданной цикловой подачи топлива и требуемой продолжительности впрыска рекомендуется выбирать соответствующую величину эффективного проходного сечения распылителя. Например, для цикловой подачи топлива дц = 1300 мм3 и фВ = 16 0 величина |!_Р = 0,8 мм2.
Из анализа рис. 2 видно, что при уменьшении |!_Р увеличивается продолжительность впрыскивания фВ, что прпнято в качестве дпагностпческого спгнала при оценке величины закоксовывания распылителей форсунок.
я
Обычно уменьшение |р в эксплуатации происходит в результате образования кокса в сопловых отверстиях. Например, в начале эксплуатации двигателя при цикловой подаче дц = 1300 мм3 продолжительность впрыска была равна фВ = 16 0 (по углу поворота кулачкового вала насоса) и соответствовала значению нормативно-технической документации, а через 1000 часов эксплуатации результаты диагностирования показали, что она увеличилась до 21 0 (см. рис. 2). По номограмме определяем, что в результате образования кокса эффективное проходное сечение уменьшилось с 0,8 до 0,6 мм2.
Изменяя АР и пн для различной интенсификации процесса впрыска топлива (продолжительности впрыска фВ), строится семейство номограмм, по которым выбирается необходимое | р распылителя для конкретного дизеля.
к 16 18 20 22 21 26 28 град
Рис. 3. Влияние давления АР на продолжительность впрыска
Рис. 4. Влияние др наизменение продолжительности впрыска фВ
т
Нт
Ц8 Ц6
Ш
Ц2
? 7
/ -
/ \
1 / \
V
А(р1
-К о
20 30 40 ПКтВ I ¿У?
Рис.5. Изменениеходаиглы исправного (а) изакоксованного(б)распылителя
На рис. 3 показана кривая зависимости продолжительности впрыска от величины давления АР перед соплами. Необходимую интенсивность впрыска (продолжительность) можно получить не только подбором |р (см. рис. 2), но и величиной давления АР. Следует отметить, что в процессе эксплуатации топливной аппаратуры уменьшается АР и изменяется |р (увеличивается или уменьшается), что нарушает интенсивность впрыска, мелкость распылива-ния и баллистику топливного факела.
2. Определение величины закоксовывания распылителей по изменению продолжительности впрыска топлива. Возможные неисправности (в том числе и закоксовывание сопловых отверстий) определяются по анализу характерных точек импульса движения иглы или изменения продолжительности впрыска топлива [2]. В условиях эксплуатации движение иглы можно зафиксировать при помощи измерительной аппаратуры с использованием индуктивного датчика или датчика давления, установленного в линии слива утечек [3].
На рис. 4 показано изменение продолжительности впрыска топлива дизеля 16ЧН 26/26 (мощность 2944 кВт, частота вращения вала двигателя 1000 мин-1) в зависимости от величины |р. Снижение |р на 0,1 мм2 в процессе закоксовывания распылителя приводит к увеличению продолжительности впрыска топлива на 2-3 градуса поворота кулачкового вала насоса.
На рис. 5 приведены осциллограммы хода иглы исправного распылителя (5а) и с закоксованными сопловыми отверстиями (5б). Продолжительность впрыскивания с 34 увеличилась до 42 градусов поворота вала двигателя. Величина | р уменьшилась с 0,86 до 0,7 мм2. Скорость подъема иглы на участке 1-2 не изменилась, а на участке 3-4 у закоксован-ного распылителя скорость посадки уменьшилась. Это происходит по причине выжимания топлива из распылителя при уменьшении проходного сечения сопла. Величина Аф2 с 4 увеличилась до 6 градусов.
При диагностике форсунок дизелей и определении закоксовывания сопловых отверстий, важным является нахождение причин образования кокса, которыми могут быть прорыв газов в его полость в конечной фазе впрыска и наличие высокой температуры корпуса распылителя [1, 4].
В процессе эксплуатации дизеля величина давления начала подъема иглы (Рфо) снижается в результате износа контактирующих поверхностей корпуса форсунки, иглы, штанги, пружины, что может привести к прорыву газов и образованию кокса в сопловых отверстиях. Газы также проникают в полость распылителя при плохой подвижности иглы, ее зависании или увеличении хода.
Закоксовывание распылителей может происходить по следующим причинам:
1. Снижение давления открытия иглы ниже критического (менее 80 % от значения, установленного заводом-изготовителем).
2. Увеличение хода иглы, более чем на 50 % от начальной величины.
3. Протекание топлива из распылителя в зоне посадочного конуса.
4. Дополнительных впрысков топлива после завершения основного впрыска.
3. Определение эффективного проходного сечения распылителей в лабораторных условиях. Для определения | р распылителя использовалась установка, изображенная на (рис. 6). В баке 1 находится дизельное топливо. При открытом кране 2 топливо
V = Q ■ t = |F • AP / pr • f,
Q = |F ■^iF ^ 2 ■AP / pT
(11)
Откуда = / / (t ■ ^ 2 ■AP / pT ).
(12)
(13)
Рис. 6. Схема установки для определения ßF
проходит через фильтр 3 на вход к насосу высокого давления 4. Насос 4 подает топливо в аккумулятор 5, в котором при помощи перепускного клапана 6 поддерживается постоянное давление (5 МПа). Манометром 7 контролируется давление топлива в аккумуляторе 5.
Из аккумулятора 5 топливо поступает к форсунке и распылителю 9. Пружина форсунки удаляется. Игла распылителя должна находиться в открытом состоянии. Топливо, вытекающее из сопловых отверстий, поступает в гаситель пены 8. При помощи распределителя 10 топливо из распылителя поступает в бак 1 или мерную емкость 11. Распределитель 10 управляется при помощи электромагнита и имеет устройство для определения времени при замере.
Порядок определения |±Р следующий:
1. В форсунку 8 (см. рис. 6) устанавливают опытный распылитель.
2. Распределитель 10 устанавливается в положение, при котором топливо сливается в бак 1.
3. Включают стенд и по манометру 7 контролируют давление топливав аккумуляторе 5,Онодолж-но быть равным 5 ■ 106 Н/мР Темпермтура топмива поддерживается постоянной (например, 30 0С).
4. Раопредемтель ее препоммщи злектромагни-та устанавливают в положение «замер» и топливо поступает в мерную емкость 11. При помощи счетного ееоройствоогфеделяюо пеемязополмения емкости 11.
Объемный расхо^оленивт О -м3/з) определоют из вые-женна
Например, при АР = 5 ■ 106 Н/м2 и рТ = 850 кг/м3 величина 9 = 100 м/c. За время t = 10 c. в мерную емкость 11 поступило 1000 см3 топлива (1 ■ 10—3 м3), величина |iF = 0,000001 м2 или 1 мм2.
Выводы. 1. Приведена методика, позволяющая расчётным путем определять эффективные проходные сечения распылителей для дизелей различной мощности, дан примеррасчета.
2. Предложенаномограмма, позволяющая определять величину проходного сечения распылителей длядизелей,работающих при различных подачах и интенсификациях впрыска топлива.
3. При уменьшении |F увеличивается продол-жительностьвпрыскивания,чтопринятовкачестве диагностического сигнала при оценке величины за-коксовывания распылителейфорсунок.
4.Показано, что призакоксовывании распылителя и снижении |F на0,1 мм2 увеличивается продолжительность впрыска топлива на 2 — 3 градуса поворотаваланасоса.
5. Изображена схема стенда и приведена методика, позволяющая экспериментальным путем определять эффективное проходное сечение распылителя.
Библиографический список
1. Трусов, В. И. Форсунки автотракторных дизелей / В. И. Трусов, В. П. Дмитриенко, Г. Д. Масляный. — М. : Машиностроение, 1977. — 167 с.
2. Михайлова, Л. Ю. Диагностирование форсунки и насоса высоеаго давления по анализу движения иглы / Л. Ю. Михайлова // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины птехнолотии. — 2012. — №3 (113). — С. 172-176.
3. Михайлова, Л. Ю. Датчик давления для осциллографи-рования хода иглы распылителя форсунки / Л. Ю. Михайлова // Материалы Всерос. 65-й науч.-техн. конф. ; ФГБОУ ВПО «ОибАДИ». -о- аоск, 2011. — Кн. 2. — С. 397-402.
4. Володин, А. И. Причины образования кокса в сопловых оТААрстиях распылителей форсунок дизелей / А. И. Володин, Л. Ю. Михайлова, Ю. П. Макушев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2013. — № 1 (117). — С. 59-63.
где 9 — скорость истечениятоплива м/с; АР — дав-лениетоплива передсопловыми отверстиями,Н/м2; рТ — плотность топлива, кг/м3.
Объемное количество топлива V (м3), поступившее в емкость 11, зависит от расхода Q, (м3/с) и времени ее заполнения t (с).
ВОЛКОВА Лариса Юрьевна, аспирантка кафедры «Локомотивы».
Статья поступила в редакцию 02.06.2014 г. © Л. Ю. Волкова
Книжная полка
Методы определения надежности и долговечностидеталеймашин : учеб. пособие/ А. П. Моргунов [и др.]. — Омск : ОмГТУ, 2014. — 91 c. — ISBN 978-5-8149-1733-1.
Рассмотрены методики определения характеристик надежности и долговечности технических устройств. Приведены основные количественные характеристики надежности, случайные величины, законы распределения, числовые характеристики случайных величин. Предложена методика решения задач по надежности и долговечности деталей машин и их соединений. Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 151001.65, 151002.65 и 151900.62, изучающих дисциплину «Основы теории на-дежностиидиагностики».
