dis_volkova_l_yu
.pdf131
вится возможным благодаря разрядке конденсатора, который заряжается до
70 В между впрысками топлива. Конденсатор служит для поглощения ЭДС са-
моиндукции, которая возникает в катушке при отключении питания.
При нарушении герметичности перепускного клапана, увеличении утечек топлива через зазоры «игла – корпус распылителя» и зазор «управляющий поршень – направляющая» характеристика впрыска изменяется, что приводит к уменьшению цикловой подачи, нарушению баллистики топливного факела.
Из отсечного отверстия (жиклер) 11 (см. рисунок 4.11) при его открытии вытекает топливо (для процесса управления) за впрыск объемом равным
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
F |
|
|
t F |
|
2 Р |
|
t , |
|
(4.7) |
|
|
ж |
|
|
|||||||||
|
ц |
ж |
|
ж |
|
|
Т |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где F |
– эффективное проходное сечение жиклера, м2; |
ж |
– скорость исте- |
|||||||||
ж |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чения топлива через жиклер, м/с; Р – средняя величина давления топлива в
камере управления, Н/м2; ρТ – плотность топлива, кг/м3; |
t − время впрыска, с. |
|||
При среднем |
давлении |
в |
камере управления |
Р = 70·106 Н/м2 ; |
ρТ = 850 кг/м3; F |
= 0,14·10-6 |
м2 |
и времени 0,005 с (для продолжительности |
|
ж |
|
|
|
впрыска 15 о и частоты вращения вала насоса 500 мин-1) количество сливаемого топлива из камеры управления за впрыск составит 250·10-9 м3 или 250 мм3. За 1
мин совершается, например, 500 циклов впрыска и объем сливаемого топлива составит 125 000 мм3 или 125 см3. Допустимое диагностическое значение сли-
ваемого топлива вместе с утечками через зазоры в распылителе и управляющем поршне не должны превышать 150 см3 за 1 мин [47].
Если сливаемое топливо вместе с утечками превысит 150 см3 , то вначале нужно обратить внимание на герметичность клапана управления, притереть его или заменить.
Характеристика впрыска значительно изменяется при износе прецизион-
ных пар распылителя и управляющего штока. Величина утечек топлива зависит от зазора (износа) прецизионных пар форсунки и принята в качестве диагно-
стического сигнала.
132
Утечки топлива через пару «игла – корпус распылителя» или «шток– направляющая» за время t определялись по формуле [49, 62]
Vу |
d 3 |
|
Р t , |
(4.8) |
||
12 |
l |
|||||
|
|
|
где d – диаметр иглы, м; δ – радиальный зазор, м; β – коэффициент, учитыва-
ющий эксцентричное расположение иглы (штока) в направляющей (1,1 – 1,15); l длина направляющей части иглы (штока), м; μ – коэффициент динамиче-
ской вязкости топлива, Н·с/м2 (1,5·10-3); Р – давление топлива в камере управления, Н/м2. Диаметр иглы был принят 4 мм, управляющего поршня
4,3 мм, длина 20 мм.
Расчетные значения утечек через прецизионные пары «игла-корпус распы-
лителя» и «шток–направляющая» для различных радиальных зазоров и давле-
ний приведены в таблицах 4.3 и 4.4. При радиальном зазоре 6 мкм утечки топ-
лива (например, при давлении в аккумуляторе 200 МПа) достигают значения равного 170 мм3, что отрицательно будет влиять на стабильность процесса впрыска.
Т а б л и ц а 4.3 –Утечки топлива в мм3 за цикл через пару
«игла – корпус распылителя» в зависимости от величины зазора и давления в аккумуляторе
Давление в ак- |
Радиальные зазоры в распылителе, мкм |
|||||
кумуляторе, |
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
4 |
6 |
8 |
||
МПа |
||||||
|
|
|
|
|
||
50 |
0,11 |
0,92 |
7,35 |
25 |
59 |
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
0,23 |
1,84 |
14,7 |
50 |
118 |
|
|
|
|
|
|
|
|
150 |
0,345 |
2,76 |
22 |
75 |
177 |
|
|
|
|
|
|
|
|
200 |
0,46 |
3,68 |
29,4 |
100 |
236 |
|
|
|
|
|
|
|
|
250 |
0,57 |
4,6 |
36,7 |
125 |
295 |
|
|
|
|
|
|
|
По значению утечек топлива определяют зазоры в парах «игла – корпус
распылителя», «шток – направляющая», оценивается их предельная величина и
133
определяется возможность дальнейшей эксплуатации форсунок.
Т а б л и ц а 4.4 – Утечки топлива в мм3 за цикл через пару
«шток – направляющая» в зависимости от величины зазора и давления в камере управления.
Максимальное давление |
|
Радиальные зазоры, мкм |
|
||||
в аккумуляторе и сред- |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
4 |
6 |
|
8 |
||
нее в камере управле- |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||
ния, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
50; |
33 |
0,08 |
0,64 |
5,12 |
17,3 |
|
41 |
|
|
|
|
|
|
|
|
100; |
70 |
0,16 |
1,28 |
10,24 |
34,6 |
|
82 |
|
|
|
|
|
|
|
|
150; |
100 |
0,24 |
1,93 |
15,5 |
51 |
|
122 |
|
|
|
|
|
|
|
|
200; 135 |
0,33 |
2,64 |
21,1 |
71,3 |
|
169 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
250; |
170 |
0,4 |
3,28 |
26,2 |
88,5 |
|
210 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4.3. Основные причины неисправностей форсунок дизелей
испособы их устранения
4.3.1.Основные причины образования кокса в сопловых отверстиях
распылителей форсунок дизелей
Физическая природа образования коксовых отложений в распылителях не имеет однозначной трактовки. Накопленный опыт работ по анализу причин нагарообразования в распылителях позволил прийти к выводу, что основными причинами образования кокса в распылителях форсунок дизелей являются про-
рыв газов в его полость в конечной фазе впрыска и наличие высокой темпера-
туры [88, 94].
При диагностировании форсунок и определении закоксовывания распыли-
телей важным является нахождение причин образования кокса и их устранение.
Отработавшие газы, кроме повышения температуры распылителя, несут с собой продукты неполного сгорания дизельного топлива – сажу. Анализ ди-
134
зельной сажи показал, что проекция её первичных частиц имеет сферическую форму. Для дизельной сажи характерным является образование вторичных структур размером до 4,0 мкм. В процессе работы двигателя сажевые образова-
ния соединяются в конгломераты (уплотняются) с поперечниками от 4 до
60 мкм, которые объединяются в цепи длиной от 20 до 120 мкм [94]. Сажа спо-
собна проникать в распылитель через сопловые отверстия.
Частицы дизельной сажи, соединяясь с лаковой пленкой испарившегося топлива, способны образовывать твердые коксовые отложения. Дополнительно наполнителем лаковой пленки могут быть механические частицы, продукты сгорания моторного масла с присадками.
Воздух, поступающий в двигатель, содержит механические примеси (пыль,
которая представляет собой мелкие частицы дорожного покрытия). Пыль мо-
жет содержать до 70 % окиси кремния SiO2, до 20 % закиси железа FeO3, до
10 % окиси алюминия Al2O3.
Дополнительно в цилиндре при сгорании топлива и недостатке кислорода воздуха образуется углерод (сажа), а в результате трения и износа появляются частицы железа и алюминия. В работе [95] исследован механизм образования нагара на поверхности поршня и его состав. Анализировались образцы нагара на днище поршня и в канавках компрессионных, маслосъемных колец. Иссле-
дования показали, что во всех образцах нагара содержится до 63–67 % углеро-
да. На днище поршня содержится: железо – до 4 %, алюминий –до 1,25 %. Та-
ким образом, проникающие газы из камеры сгорания в полость распылителя могут содержать сажу, частицы алюминия, железа и кремния.
При снижении давления начала подъема иглы Рфо ниже критического га-
зы проникают в полость распылителя [96, 97]. На рисунке 4.13 показано, что для ТА дизеля 4ЧН 13/14 (Д-440) при давлении Рфо менее 12 МПа продолжи-
тельность впрыска топлива на двигателе φд , становится больше, чем на безмо-
торном стенде φс и прорыв газов Lп в полость распылителя увеличивается.
135
Рисунок 4.13 – Зависимость продолжительности впрыска топлива на двигателе φд, стенде φс и глубины проникновения газов Lп в полость распылителя от величины давления открытия иглы Рфо
В процессе испытаний двигатель Д-440 (4ЧН 13/14) мощностью 75 кВт производства ОАО ПО АМЗ (Алтайдизель) работал на режиме номинальной мощности при частоте вращения коленчатого вала 1 750 мин-1 и цикловой по-
даче 100 мм3. Заштрихованная область «А» является зоной прорыва газов и возможного образования кокса. Глубина прохождения газов в полость распы-
лителя оценивалась длиной отложения кокса на поверхности иглы (потемнени-
ем).
В процессе длительной эксплуатации дизеля давление открытия иглы Рфо
снижается в результате износа контактирующих поверхностей иглы, штанги,
пружины, что может привести к прорыву цилиндровых газов и образованию кокса в полости распылителя и сопловых отверстиях.
При эксплуатации дизеля нельзя допускать снижение давления открытия иглы ниже критического (менее 80 % от значения, установленного заводом-
изготовителем). Газы могут проникать в полость распылителя и при плохой по-
движности иглы, или ее зависании.
При |
распылителя (зона |
сопловых |
подачи топлива, |
повышения |
распылителя. |
В процессе |
контактирующих по- |
верхностей |
чего ход |
иглы увеличивается |
|
С увели |
носика |
распылителя |
увеличении хода |
иглы в результате |
» за измене- |
нием давления |
посадке на |
седло. Перепад |
увеличивается, |
что способствует |
ителя. |
Рисунок 4.14 – Зависимость температуры носика распылителя tр от максимального хода иглы у
Современные дизели форсированы по мощности за счет повышения давле-
ния воздуха на впуске (наддув) и большей подачи топлива. Давление и темпе-
ратура газов в цилиндре увеличились, что способствует образованию кокса в
137
распылителях. После окончания впрыскивания внутренние поверхности распы-
лителя остаются смоченные топливом, которое под воздействием высокой тем-
пературы (200–300 °С) за период между впрыскиванием преобразуется в лако-
вую пленку. Сажа, частицы алюминия, железа и кремния, контактируя с лако-
вой пленкой, «прилипают» к ней, образуя на поверхности коксовые отложения.
Для ликвидации прорыва газов рекомендуют увеличивать Рфо путем по-
вышения усилия на пружине, но это приводит к росту напряжений в запорном конусе распылителя и его износу.
Увеличение Рфо без изменения усилия на пружине и контактных напряже-
ний в запорном конусе распылителя возможно при уменьшении диаметра иглы.
Давление начала подъема иглы определяется выражением
Pфо |
Fп |
, |
(4.9) |
|
fи fк |
||||
|
|
|
где Fn – сила сжатия пружины, Н; fи – площадь поперечного сечения иглы, м2; fк – площадь посадочного конуса иглы, м2.
Из анализа выражения (4.9) следует, что при неизменной величине Fп зна-
чение Рфо можно увеличить путем уменьшения fи или её диаметра dи.
Давление начала посадки иглы на седло Рп меньше статического давления начала открытия иглы Рфос и определяется по формуле
Рп (0,5 0,7) Рфос . |
(4.10) |
Повышение давления, скорости истечения топлива из сопловых отверстий,
а также увеличение давления посадки иглы на седло будут препятствовать про-
рыву газов в полость распылителя и образованию кокса в сопловых отверстиях.
Для снижения возможности прорыва газов в полость распылителя и обра-
зования кокса в сопловых отверстиях рекомендуется применение иглы распы-
лителя с меньшим диаметром [96].
Вработе [97] для анализа стойкости распылителей к образованию кокса предложен цикл, состоящий из четырех часов работы дизеля. Один час – режим номинальной мощности, три часа – режим максимального крутящего момента.
Вначале и в конце цикла коксования на стенде постоянного давления
138
определялось эффективное проходное сечение распылителей. Регулировка насоса высокого давления оставалась неизменной. Для оценки влияния конструктивных, эксплуатационных и регулировочных параметров ТА на процесс закоксовывания форсунки комплектовались по «технологическому», «эксплуатационному» и «аварийному» вариантам. Величина Рфо уменьшалась на 15 и 40 %, а ход иглы увеличивался на 50 и 100 % для «эксплуатационного» и «аварийного» вариантов. На «аварийном» режиме форсунки дополнительно работали с «зависшими» иглами.
При испытании дизеля Д-440 c форсунками, укомплектованными по
«технологическому» варианту (ход иглы 0,3 мм, давление открытия 16 МПа),
не обнаружена склонность распылителей к образованию кокса. Величина закоксовывания сопловых отверстий форсунок (уменьшение проходного сече-
ния), укомплектованных по «эксплуатационному» варианту, достигала 15 %, а
по «аварийному» – 50 % [97].
Проведение исследования топливной аппаратуры дизелей средней быстроходности и малой цилиндровой мощностью (30 – 40 кВт) значительно проще, чем тепловозных дизелей с цилиндровой мощностью 200 – 250 кВт.
Форсунки имеют одинаковый принцип действия (с гидромеханическим управлением иглы), но отличаются габаритными размерами, массой подвижных деталей, диаметром иглы, проходным сечением распылителя. Образование кокса в распылителях имеет одинаковую физическую природу.
4.3.2. Методика восстановления герметичности посадочного конуса иглы распылителя форсунки
В процессе длительной эксплуатации топливной аппаратуры дизеля поса-
дочные поверхности конуса иглы и корпуса распылителя форсунки изнашива-
ются, что способствует плохому распыливанию и даже «подтеканию» топлива из распылителя [98, 100] . Распылители с подтекающим уплотняющим конусом склонны к закоксовыванию.
139
На рисунке 4.15 (вид 1) показан посадочный конус нового (исправного) рас-
пылителя с кольцевым уплотнением шириной примерно 0,5 – 1,0 мм и требуе-
мой мелкостью распыливания топлива.
Рисунок 4.15 – Вид уплотнения посадочного конуса нового (1),
изношенного (2) и восстановленного (3) распылителей
При испытании на стенде КИ-3333 или А-106 игла с хорошей подвижно-
стью способна многократно подниматься и опускаться на седло (дробить). По-
ток топлива не дросселирует под конусом иглы, а рассекается на участки и по-
ступает к соплам под высоким давлением, обеспечивая требуемую мелкость распыливания. Топливо из распылителя вытекает в виде тумана с характерным звуком. Игла совершает колебательный процесс с частотой 50 –100 Гц.
При изношенном распылителе ширина кольцевого уплотнения увеличива-
ется [99] (см. рисунок 4.15, вид 2). Широкий посадочный конус с малым зазо-
ром представляет собой местное сопротивление с большим коэффициентом по-
терь. Топливо, проходя через длинную коническую щель, теряет энергию. При этом поток топлива не рассекается на отдельные участки, а при малом давлении поступает к сопловым отверстиям, вытекает из них, не распадаясь на мелкие капли. Плохое качество распыливания и течь топлива в запорном конусе рас-
пылителя повышает расход топлива до 10 %.
При увеличении ширины уплотнения теряется герметичность посадочного конуса и распылитель начинает «лить». Для обеспечения требуемой ширины посадочного конуса и его герметичности необходимо восстановить геометрию
140
конуса корпуса распылителя. Необходимо удалить часть поверхности конуса иглы так, чтобы ширина кольцевого уплотнения была равной 0,5 – 1,0 мм и притереть уплотнение (см. рисунок 4.15, вид 3).
Для восстановления герметичности запорного конуса распылителей форсу-
нок разработана методика и использовался стенд (рисунок 4.16) [98] для при-
тирки запорных конусов. Применение стенда позволяет восстанавливать до
50 % подтекающих распылителей с хорошим распыливанием.
Рисунок 4.16 – Стенд для восстановления герметичности посадочного конуса распылителя
Вначале форсунку проверяют и регулируют на требуемое давление начала подъема иглы и оценивают качество распыливания на стенде КИ–3333 или А-106. Затем снижают давление на 1– 2 МПа и в зоне сопловых отверстий (но-
сике) наблюдают образование капель топлива. Если в течение 10 с не образует-
ся капля топлива, то герметичность посадочного конуса считается удовлетво-
рительной. Если распылитель подтекает, то его восстанавливают по предлагае-
мой методике или заменяют.
Методика восстановления следующая: