dis_volkova_l_yu

81

где Р – среднее давление топлива перед сопловыми отверстиями, зависит от максимального давления в канале форсунки ( РФ mах) и равно 0,6 РФ mах

В тепловозных дизелях подача топлива происходит при продолжительно-

сти впрыска 15 –20 о поворота кулачкового вала насоса.

Величина действительного объёмного расхода топлива через форсунку со-

ставит Q = 1 300 / 0,00666 = 197 000 мм3/с = 0,000197 м3/с, откуда с учетом формулы (3.14) имеем

µF = 0,000197 / 306 = 0,0000006 м2 = 0,64 мм2.

82

С учетом формул (3.14), (3.15), (3.17) окончательно получим

qц = µF·t· Т ·1000 = 0,64· 0,00666·306·1 000 = 1 300 мм3.

Цикловая подача топлива, определенная по формуле (3.12), не отличается

В таблице 3.3 приведены основные технические данные тепловозных дви-

гателей и расчетные значения параметров распылителей. Расчеты выполнены для максимального давления топлива в полости распылителя 70 МПа и про-

должительности топливоподачи 15 о поворота вала насоса [72].

Та б л и ц а 3.3 – Основные параметры тепловозных двигателей

ираспылителей форсунок

83

3.3. Определение эффективного проходного сечения распылителя при помощи номограммы и ее применение для оценки закоксовывания

сопловых отверстий

Для тепловозных двигателей мощностью более 500 кВт при выборе эффек-

тивного проходного сечения распылителя µF в зависимости от цикловой по-

дачи (qц) и продолжительности впрыскивания φВ в диссертационной работе рекомендуется номограмма, приведенная на рисунке 3.3.

Каждая линия поля номограммы построена для постоянных значений

µF и скорости истечения топлива из сопла [71, 72]. Изменялась продолжи-

тельность впрыска φВ , определялась цикловая подача топлива qц. Номо-

грамма построена для частоты вращения вала двигателя 1 000 мин-1 (для насоса

500 мин-1), среднего давления топлива перед сопловыми отверстиями 40 МПа.

Рисунок 3.3 – Номограмма зависимости qц от φВ

для различных µF тепловозного дизеля:

1 – 0,4 мм2; 2 – 0,5 мм2; 3 – 0,6 мм2; 4 – 0,7 мм2;

84

5 – 0,8 мм2; 6 – 0,9 мм2; 7 – 1,0 мм2

При расчете номограммы применялись формулы (3.12), (3.13), (3.14), (3.15), с использованием которых определялись:

– требуемая цикловая подача топлива, зависящая от мощности дизеля,

удельного расхода топлива, частоты вращения вала ТНВД;

–теоретическая скорость истечения топлива через сопловые отверстия;

–объемный секундный расход топлива;

–количество топлива qц поданное в камеру сгорания за время впрыска.

Общая формула для расчета и построения номограммы имеет вид

значение Т достигает 340, 480, 590 м/с. Для постоянных значений µF, Р, nн,

но переменной величине φв (например, 10, 15, 20, 25 о) определяли величину цикловой подачи qц. По найденным значениям qц (минимум 3 точки) прово-

дилась линия (например, для постоянного значения µF = 0,5 мм2).

Изменяя Р и nн для требуемой интенсификации процесса впрыска топли-

ва (продолжительности впрыска φв), можно построить семейство номограмм,

по которым выбирается для конкретного дизеля необходимое µF.

Из номограммы следует, что для цикловой подачи 1 500 мм3 и продолжи-

тельности впрыска 17 о эффективное сечение распылителя равно 0,86 мм2 (ди-

зель 5Д49, 16ЧН 26/26 мощностью 2 944 кВт при частоте вращения коленчато-

го вала 1 000 мин-1). При количестве сопловых отверстий 9 их диаметр составит

0,39 мм, что соответствует данным таблицы 3.4.

Из анализа рисунка 3.3 видно, что при уменьшении µF увеличивается про-

должительность впрыскивания φВ, и это принято в качестве диагностического сигнала при оценке технического состояния распылителей форсунок [72, 73].

Обычно уменьшение µF распылителей в процессе эксплуатации дизеля происходит в результате образования кокса в сопловых отверстиях. Например,

85

в начале эксплуатации дизеля при цикловой подаче qц = 1 500 мм3 продолжи-

тельность впрыска (по углу поворота кулачкового вала насоса) φВ = 17 о, а че-

рез 1 000 часов эксплуатации результаты диагностирования показали, что про-

должительность впрыска увеличилась до 21 о. По номограмме (см. рисунок 3.3)

определим, что в результате образования кокса эффективное проходное сечение распылителя уменьшилось с 0,86 до 0,7 мм2. Увеличение продолжительности впрыскивания топлива принято в качестве диагностического сигнала при оцен-

ке величины закоксовывания распылителей.

Т а б л и ц а 3.4 – Характеристики форсунок для дизелей

типов 10Д100 и 5Д49

На рисунке 3.4 показано изменение продолжительности впрыска топлива

φВ дизеля 16ЧН 26/26 (мощность 2 944 кВт, частота вращения вала двигателя

1000 мин-1) в зависимости от величины µF. Снижение µF на 0,1 мм2 в про-

цессе закоксовывания распылителя приводит к увеличению продолжительности впрыска топлива на 2 – 3 о поворота кулачкового вала насоса.

На рисунке 3.5 приведены расчетные осциллограммы хода иглы распыли-

телей для исправного состояния ( а) сопловых отверстий (параметры соответ-

ствуют нормативно-техническим данным) и с частичным закоксовыванием сопловых отверстий распылителя ( б) тепловозного дизеля 16ЧН 26/26.

86

Продолжительность впрыскивания увеличилась с 34 до 38 о поворота вала двигателя. Скорость подъема иглы на участке 1–2 не изменилась, а на участке посадки 3–4 у закоксованного распылителя скорость уменьшилась. Это проис-

ходит по причине выжимания топлива при уменьшении проходного сечения распылителя. Величина φ2 увеличилась с 4 до 6 о.

Рисунок 3.4 – Влияние эффективного проходного сечения распылителя µF

на продолжительность впрыска φВ (в градусах поворота вала насоса)

Рисунок 3.5 – Изменение хода иглы для исправного (а) и

закоксованного (б) распылителей

87

На рисунке 3.6 показано изменение продолжительности впрыска от вели-

чины перепада давления Р перед сопловыми отверстиями. Необходимую ин-

тенсивность впрыска (продолжительность) можно получить не только подбо-

ром µF (см. рисунок 3.4), но и величиной давления Р. Следует отметить, что в процессе эксплуатации ТА уменьшается Р и изменяется µF, что нарушает продолжительность и интенсивность впрыска, мелкость распыливания и даль-

нобойность топливного факела.

На рисунке 3.7 показано влияние диаметры соплового отверстия dc (их 9)

на величину эффективного проходного сечения распылителя µF. Уменьшение dc в результате закоксовывания распылителя приводит к снижению µF. Это способствует уменьшению цикловой подачи, нарушению процесса впрыска топлива в КС, что снижает мощность и экономичность дизеля.

88

3.4. Согласование периода задержки самовоспламенения топлива в цилиндре дизеля с дальнобойностью топливного факела

Поданное топливо в камеру сгорания (КС) воспламеняется с задержкой.

На задержку теплового воспламенения главное влияние оказывают температура воздуха (разброс кинетической энергии молекул от своего среднего значения) и

плотность (расстояние между молекулами), которая зависит от давления. Пе-

риод задержки i – это время от начала подъема иглы форсунки до момента воспламенения топлива (отрыв линии сгорания от линии сжатия). Время за-

держки самовоспламенения распыленного топлива приближенно можно опре-

делить по формуле академика Н.Н. Семенова [74]:

где В – постоянный множитель Н·с/м2, зависящий от свойств топлива (це-

танового числа); Рс – давление в цилиндре в момент начала подачи топлива,

Н/м2; п – порядок реакции (для бимолекулярной смеси при соударении двух реагирующих молекул, п = 2); Е – энергия активации, необходимая для разры-

ва существующих межмолекулярных связей, Дж/моль (при температуре более

700 К величина Е = 30 000 – 40 000 Дж/моль); R – универсальная газовая по-

стоянная, 8,314 Дж/(моль∙К); Тс – температура воздуха в момент подачи топ-

лива в КС, К.

На рисунке 3.8 показано изменение значения i от температуры в конце такта сжатия. Давление газов в цилиндре Рс = 7 МПа, постоянный множитель

В = 300 Н·с/м2, соответствующий цетановому числу 45 – 55.

Величины Рс и Тс зависят от степени сжатия, давления наддува, состояния поршневой группы и механизма газораспределения. При достижении давления

Рс = 7 МПа и температуры 750 К в КС величина i будет равна 1,5 мс. (см. ри-

сунок 3.8). Более точное значение i определяется экспериментальным путем.

89

Рисунок 3.8 – Влияние температуры в конце такта сжатия на период задержки самовоспламенения топлива

На рисунке 3.9 показаны КС в поршне диаметром 26 см двигателя

16ЧН 26/26, факел распыленного топлива и его длина Lф. Время движения фа-

кела от сопловых отверстий до стенки КС должно быть равно времени периода задержки воспламенения [35]. Путь факела корректируют, изменяя диаметр сопла, скорость истечения топлива (давление), продолжительность впрыскива-

ния.

Рисунок 3.9 – Схема факела топлива в КС: 1 – поршень; 2 – камера сгорания; 3 – факел распыленного топлива; 4 – распылитель

Период задержки самовоспламенения должен быть согласован с длиной распыленного факела [72]. Изменение величины Lф в результате закоксовыва-

ния распылителей и несогласованность с i обычно приводят к увеличению

90

расхода топлива. Расчетная длина факела от соплового отверстия определялась по формуле А.С. Лышевского [58]:

где dc – диаметр соплового отверстия распылителя, м; Д – действительная скорость истечения топлива из сопла, м/с; τ – время движения факела из рас-

При среднем постоянном давлении дизельного топлива перед сопловыми отверстиями Р = 40 МПа за время впрыска 0,0066 с (угол поворота вала насоса

15 о), при диаметре сопла dc = 0,35 мм, действительной скорости вытекающего

На рисунке 3.10 приведена зависимость развития факела распыленного топлива от времени в мс. Диаметр соплового отверстия dc = 0,35 мм, среднее давление топлива изменялось от 30 до 150 МПа [86]. Данный график необхо-

дим для согласования периода задержки воспламенения, который зависит в ос-

новном от давления и температуры газов в цилиндре в момент впрыска топлива и дальнобойности факела распыленного топлива.

Под действием среднего перепада давления перед сопловым отверстием равного, например, 40 МПа за время 1,5 мс, факел распыленного топлива прой-