dis_volkova_l_yu

131

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

чения топлива через жиклер, м/с; Р – средняя величина давления топлива в

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]

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

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.

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.

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

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

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: