Снижение тепломеханической нагруженности и износа направляющего прецизионного сопряжения совершенствованием конструкции распылителя топливной форсунки дизеля

Улучшение топливной экономичности, эксплуатационных свойств и повышение удельной мощности дизелей являются важнейшими направлениями развития отечественного и зарубежного дизелестроения. Улучшение эксплуатационных свойств дизелей предполагает снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами, повышение ресурса агрегатов основных систем, снижение уровня шума и вибрации, а также обеспечение многотопливности. В значительной степени эксплуатационные свойства дизелей определяются работоспособностью топливоподающей аппаратуры, в частности распылителя топливной форсунки. Работоспособность распылителей в значительной степени определяется нагруженностью элементов направляющего прецизионного сопряжения.

Уменьшение выбросов вредных веществ с отработавшими газами с одновременным увеличением удельной мощности дизелей обеспечивается повышением давления впрыскивания топлива и сопровождается ростом температуры распылителя топливной форсунки. В результате высоких тепломеханических и гидродинамических нагрузок снижается ресурс прецизионных сопряжений распылителя. При анализе состояния распылителей в процессе эксплуатации дизелей отмечается, что 75% вышедших из строя распылителей имеет потерю гидравлической плотности вследствие преждевременного достижения предельного износа прецизионных сопряжений. Повышение ресурса прецизионных сопряжений распылителей топливных форсунок является одним из условий обеспечения высокого технического уровня дизелей.

Снижение нагруженности и износа прецизионных сопряжений совершенствованием конструкции распылителя для повышения ресурса при увеличении давления впрыскивания топлива является актуальной научной задачей. При решении этой задачи эффективность технических решений по совершенствованию конструкции распылителя форсунки определялась оценкой тепломеханической нагруженности и износа прецизионных сопряжений.

Цель настоящего исследования заключается в снижении нагруженности и износа направляющего прецизионного сопряжения совершенствованием конструкции распылителя топливной форсунки дизеля.

Объект и предмет исследования. Конструкция элементов распылителя, процессы тепломеханического и гидродинамического нагружения и их влияние на износ и ресурс направляющего прецизионного сопряжения распылителя топливной форсунки в дизеле.

Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель распылителя модифицированной конструкции, позволяющая выполнить анализ влияния уровня нагруженности прецизионных сопряжений на параметры изнашивания и ресурс распылителя.

2. Определены факторы, снижающие тепломеханическую нагруженность: в направляющем прецизионном сопряжении — конфигурация, масса, геометрические параметры иглы и гидравлического тракта в корпусе, в запирающем — интенсивность теплообмена топлива со стержнем иглы и рабочих газов с корпусом распылителя.

3. Установлено снижение тепломеханической нагруженности и скорости изнашивания элементов прецизионных сопряжений при уменьшении диаметра, длины направляющей части и хода иглы распылителя.

Практическая ценность.

1. Разработан и защищен патентом РФ на изобретение распылитель оригинальной конструкции с уменьшенными ходом, диаметром и длиной направляющей части иглы, а также с усовершенствованной образующей поверхности полости охлаждения под дифференциальной площадкой иглы в корпусе для снижения тепломеханической нагруженности направляющего прецизионного сопряжения.

2. Предложена и апробирована методика определения граничных условий гидродинамического и тепломеханического нагружений для оценки температурного, напряженно-деформированного состояния и износа направляющих прецизионных сопряжений распылителей различных конструкций.

3. Разработан и обоснован комплекс мероприятий по совершенствованию конструкции распылителя, направленный на снижение уровня его тепломеханической на-груженности и повышение ресурса прецизионных сопряжений.

4. Экспериментально установлена необходимость увеличения усилия затяжки пружины форсунки для обеспечения герметичности запирающего прецизионного сопряжения при уменьшении диаметра, длины направляющей части и хода иглы распылителя.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы использованы ООО «ГСКБ «Трансдизель» при разработке мероприятий по повышению технического уровня транспортных дизелей, в частности по совершенствованию конструкции (изменению геометрии) прецизионного сопряжения, развитию охлаждающей полости под дифференциальной площадкой иглы и увеличению числа наклонных топливоподводящих каналов в корпусе распылителя топлива с повышенным ресурсом. Анализ конструктивных особенностей и методика определения граничных условий теплового, гидродинамического и механического нагружения прецизионных сопряжений распылителя форсунки транспортных дизелей используется в учебном процессе кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета. Методика проведения экспериментальных исследований опытных распылителей использована НП «СЦ АТТ» при проведении исследований по оценке экономических и экологических показателей-транспортных дизелей.

На защиту выносятся перечисленные выше основные результаты, имеющие научную новизну и практическую ценность.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЧГАА (Челябинск, 2009;2011 г. г.) — всероссийской научно-технической конференции СпбГПУ (Санкт-Петербург, 2009 г.) — международной научно-технической конференции, посвященной 180 летию МГТУ им. Н. Э. Баумана «Двигатель-2010» (Москва, 2010 г.) — научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЮУрГУ (Челябинск, 2009;2011 г. г.);

Основные научные результаты получены лично автором или при непосредственном его участии в течение 2009;2011 г. г. в процессе выполнения:

1. Научно-исследовательских работ по гранту 2009;2011, П503 от 05.08.2009 «Теоретические основы методов разработки малотоксичного рабочего цикла и повышения ресурса основных трибосопряжений энергоэффективных двигателей внутреннего сгорания»;

2. Научно-исследовательских работ по гранту 2010;2012 № 16.740.11.0073 от 01.09.2010 «Совершенствование методов расчета сложнонагруженных и прецизионных трибосопряжений транспортных двигателей с учетом, гидродинамического и граничного режимов трения, тепломассообмена и неньютоновских свойств смазочных материалов». ,.

Содержание диссертации. Диссертационная работа, рассматривающая задачу снижение тепломеханической нагруженности и износа направляющего прецизионного сопряжения совершенствованием конструкции распылителя топливной форсунки дизеля, состоит из введения^ пяти главзаключения, библиографического списка и приложений.

Заключение

.

При улучшении эксплуатационных свойств дизелей особое внимание уделяется повышению ресурса топливоподающей аппаратуры, в частности распылителя форсунки, ресурс которого преимущественно определяется ресурсом прецизионных сопряжений. Определяющими причинами снижения ресурса прецизионных сопряжений являются два основных фактора: высокие тепломеханическая и гидродинамическая нагруженность. Температурные деформации, изменение зазоров в сопряжениях, снижение гидравлической плотности и скорости перемещения иглы являются следствием высоких температур направляющего прецизионного сопряжения распылителя. Потеря работоспособности распылителя, вследствие снижения гидравлической плотности и герметичности прецизионных сопряжений, обуславливается также износом и давлениями впрыскивания топлива.

Исследованиями в нашей стране и за рубежом определены предельные значения температур элементов распылителя, превышение которых сопровождается потерей работоспособности вследствие преждевременных износа прецизионных сопряжений и нагарообразований в распыливающих отверстиях. На тепловое состояние направляющего прецизионного сопряжения распылителя оказывает влияние множество факторов, среди которых можно выделить конструктивные особенности, интенсивность теплообмена с рабочими газами, тип охлаждения и тепловая защита.

Снижение температуры прецизионных сопряжений достигается интенсификацией локального охлаждения, изменением конструкции выступающей части корпуса, увеличением числа наклонных топливоподводящих каналов и развитием полости охлаждения под дифференциальной площадкой иглы распылителя. Одним из эффективных способов тепловой защиты выступающей части корпуса распылителя является экранирование с образованием закрытых воздушных полостей. Эффективность такого способа тепловой защиты оценена теоретически с использованием современных методов математического моделирования (метода конечных элементов).

Оценка изменения конструкции элементов направляющего прецизионного сопряжения и экранирования выступающей части корпуса распылителя математическим моделированием достоверна при учете граничных условий теплообмена. Последние включают особенности теплообмена в цилиндре дизеля, в воздушной полости под экраном, с топливом в топливных каналах и полостях, с элементами форсунки в местах контакта и поверхностях контакта элементов сопряжений. В теории теплопередачи накоплен достаточный опыт определения особенностей теплообмена газов и жидкостей с твердым телом, который адаптирован к условиям теплообмена в распылителе.

Работоспособность направляющего прецизионного сопряжения распылителя обуславливается характером контакта, нагрузкой, взаимоположением, формой и качеством поверхностей элементов, радиальным зазором, свойствами среды и степенью подвижности иглы.

Монтажные, а также рабочие механические и температурные, деформации вызывают повышенный износ поверхностей иглы и отверстия в корпусе распылителя. На интенсивность изнашивания оказывает существенное влияние характер контактировании при взаимном перемещении поверхностей элементов в сопряжении. При деформации корпуса и уменьшении радиального зазора появляется периодический контакт между иглой и корпусом, в результате чего возникает разрушение топливного слоя и трение становится граничным. В прецизионном сопряжении при граничном трении появляются различные фрикционные взаимодействия, результатом которых являются прогрессирующий износ, снижение подвижности и «зависание» иглы в корпусе распылителя.

Переменное по длине и в поперечной плоскости сечение радиального зазора и неравномерное распределение давления в топливном слое направляющего прецизионного сопряжения приводят к появлению неуравновешенной радиальной силы давления топлива на иглу. Для снижения механического воздействия на иглу радиальной силы, в условиях сохранения давления впрыскивания топлива, необходимо уменьшение температуры элементов сопряжения, диаметра и длины направляющей части иглы распылителя.

Изменение характера трения переходом к граничному вызывает повышенные напряжения и интенсивность изнашивания контактного слоя направляющего прецизионного сопряжения. Повышение ресурса направляющего прецизионного сопряжения при форсировании дизеля по частоте вращения коленчатого вала целесообразно снижением хода иглы распылителя, массы и ускорения движения подвижных частей форсунки.

Использование новой конструкции распылителя с уменьшенными диаметром до 4 мм и длиной до 10 мм направляющей части иглы и развитой полостью охлаждения в корпусе при повышенном среднем давлении впрыскивания до 75 МПа (максимальное давление впрыскивания при этом составляет 130 МПа) обеспечивает сохранение ресурса прецизионных сопряжений. Снижение хода иглы при этом в 1,5 раза пропорционально увеличивает ресурс направляющего прецизионного сопряжения распылителя при сохранении мощности дизеля.

На основании выполненных исследований разработан комплекс технических решений по совершенствованию конструкции и расчетно-экспериментальным методом оценен износ и ресурс направляющего прецизионного сопряжения распылителя. В результате создана новая конструкция распылителя, защищенная патентом РФ на изобретение.

В результате выполненного диссертационного исследования можно предложить следующие выводы и рекомендации:

1. Снижение тепломеханической нагруженности прецизионных сопряжений целесообразно обеспечивать дифференцированным воздействием: в направляющем — на конфигурацию, массу, геометрические параметры иглы и гидравлического тракта в корпусе, а в запирающем — на интенсивность теплообмена впрыскиваемого топлива со стержнем иглы и рабочих газов с корпусом распылителя.

2. Уменьшение диаметра, длины направляющей части и хода иглы достигается на основе учета взаимосвязи процессов гидродинамического и тепломеханического нагружения с интенсивностью изнашивания элементов прецизионного сопряжения распылителя, т.к. повышение температуры элементов распылителя приводит к уменьшению зазора, увеличению давления впрыскивания топлива и геометрической площади его воздействия.

3. Для обеспечения герметичности запирающего прецизионного сопряжения при уменьшении диаметра, длины направляющей части и хода иглы необходимо увеличение усилия затяжки пружины форсунки.

4. Установлено, что уменьшение диаметра с 6 до 4 мм и длины с 18 до 10 мм направляющей части иглы и увеличение числа наклонных топливных каналов в корпусе с 3 до 5 позволяет на 25% снизить максимальную температуру направляющего прецизионного сопряжения. Для сохранения ресурса прецизионных сопряжений при форсировании дизеля целесообразны пропорциональное уменьшение хода иглы и экранирование выступающей части корпуса распылителя.

5. Использование распылителей опытной конструкции в дизеле 4ЧН15/20,5 позволяет уменьшить удельный эффективный расход топлива на 2.6 г/кВт-ч, температуру отработавших газов на 30.50 °С и повышение (до 2%) коэффициента приспособляемости по крутящему моменту.

6. Изменение геометрических параметров элементов направляющего прецизионного сопряжения сопровождается снижением линейной (на 15,5%) и массовой (на 68,5%) скоростей изнашивания иглы и корпуса опытного распылителя по сравнению со штатным распылителем. Повышение ресурса элементов направляющего прецизионного сопряжения в опытном распылителе при работе дизеля составляет около 76,5% в сравнении со штатным.

7. Результаты длительных испытаний дизеля свидетельствуют об уменьшении в 2 раза интенсивности снижения гидравлической плотности направляющего прецизионного сопряжения опытного распылителя в сравнении со штатным.