CC BY
15
ГРНТИ 73.01.77 Волкова Лариса Юрьевна
к.т.н., доцент кафедра «Судовые энергетические установки и теплоэнергетика», Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, 236000, Российская Федерацияч, e-mail: volkova0969@mail.ru
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ФОРСУНОК ДИЗЕЛЕЙ ПО ОБЪЕМУ СЛИВАЕМОГО ТОПЛИВА ИЗ ДРЕНАЖНОЙ МАГИСТРАЛИ
Предложена методика, позволяющая по количеству утечек топлива из форсунок с гидромеханическим управлением определять зазор между иглой и корпусом распылителя. Для топливной аппаратуры с электрогидравлическим управлением иглы форсунок выполнен расчёт сливаемого топлива через клапан, определены утечки топлива в зависимости от давления в аккумуляторе, значения зазора в распылителе и в паре «управляющий поршень — направляющая». Приведен контроль технического состояния клапанов управления по значению объёма сливаемого топлива из штуцера форсунки. Для постоянного контроля утечек топлива через зазор в распылителе или сливаемого топлива из дренажной магистрали форсунки с электромагнитным управлением предлагается прибор с датчиком для измерения малого расхода топлива и записи его значения.
Ключевые слова: форсунка, диагностирование, утечки, зазор, клапан управления.
ВВЕДЕНИЕ
Эффективность работы дизеля в основном зависит от форсунок, техническое состояние которых можно определить по анализу объема сливаемого топлива из дренажной магистрали, изменению давления топлива в трубопроводе высокого давления и перемещения иглы распылителя.
В процессе работы дизеля часть топлива под действием перепада давления вытекает из камеры распылителя форсунки через зазор между иглой и направляющей. При диаметральных зазорах в распылителях форсунок более 10 мкм утечки способствуют уменьшению подачи топлива, снижая мощность дизеля.
По величине утечек топлива в эксплуатации (диагностический параметр) можно определить зазор в распылителе, износ направляющей. Для этой цели в лабораторных условиях определяют утечки топлива в зависимости от известной величины зазора распылителя. По количеству утечек топлива в эксплуатации (обратным способом) определяют зазор в распылителе, износ направляющей и делается заключение о целесообразности его дальнейшей эксплуатации.
Для судовых и тепловозных двигателей с высоким остаточным давлением предельный износ распылителей (диаметральный зазор) составляет 6.. .8 мкм [1].
В таблице 1 показано изменение конструктивных и регулировочных параметров форсунок тепловозного дизеля 16ЧН 26/26 в эксплуатации, которое соответствует исправному, неисправному состоянию или отказу. Главные неисправности распылителя, переходящие в отказ - износ пары «игла - корпус распылитель», течь топлива из посадочного конуса, защемление иглы, снижение
давления открытия иглы. Для исправного состояния форсунки ее параметры должны соответствовать нормативно-техническим значениям.
Таблица 1 - Изменение технического состояния форсунок дизеля
Диагностируемый параметр форсунки Техническое состояние форсунки
Исправное Неисправное Отказ
1 Износ пары «игла - корпус распылителя». Начальный зазор (диаметральный) 2 - 4 мкм. Начальный зазор плюс 4 мкм Зазор более 8 мкм Зазор более 10 мкм
2 Нарушение герметичности посадочного конуса иглы и корпуса распылителя. Сухой носик распылителя Увлажнение носика распылителя Образование капель на носике распылителя
3 Зависание иглы распылителя. Подвижная игла Потеря подвижности Игла неподвижная
4 Снижение давления начала открытия иглы от нормативного значения, например, 34 МПа. Нормативное значение Снижение давления на 20 % Снижение давления более чем на 20 %
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1 Топливные системы с гидромеханическим управлением иглы распылителя форсунки.
На рисунке 1 показана форсунка тепловозного дизеля 16ЧН 26/26. Утечки топлива из форсунки отводятся при помощи трубопровода 14. Оценки зазора в паре «игла - корпус распылителя» на работающем двигателе может быть определена по объему утечек топлива.
Утечки топлива за цикл зависят от величины остаточного давления в линии нагнетания, давления топлива в каналах форсунки, диаметра иглы, зазора в паре «игла - корпус распылителя», длины уплотняющей поверхности и вязкости топлива. Система подачи топлива с высоким остаточным давлением более «чувствительна» к увеличению зазора в распылителях. С достаточной для практики точностью утечки топлива из форсунок можно определить расчётным путём.
При высоких остаточных давлениях в линии нагнетания (например, 10 МПа) топливо вытекает из полости форсунки в течение всего цикла и достигает значений в несколько раз больше, чем в системах с малым остаточным давлением.
В системах с малым остаточным давлением (до 1 МПа) топливо движется по зазору в паре «игла-корпус распылителя» только в период подачи топлива форсункой (не более 40 гр.п.в.н. - градусов поворота вала насоса). Для различных конструкций форсунок утечки топлива через пару «игла - корпус распылителя» в м3 за время 1 можно определить расчётным путём по формулам [2-4]:
(1)
(2)
где d - диаметр иглы, м; 8 - радиальный зазор, м;
в - коэффициент, учитывающий эксцентричное расположение иглы в направляющей (1,1-1,15);
1 - длина направляющей части иглы, м; ц - коэффициент динамической вязкости, Па-с;
Рф - переменное давление в канале форсунки в период подачи топлива, Па; Р - остаточное давление в линии нагнетания, Па.
Рисунок 1 - Форсунка дизеля 16ЧН 26/26: 1 - сопловой наконечник; 2 - корпус распылителя; 3 - игла; 4 - канал; 5 - накидная гайка; 6, 10 - уплотнительные кольца; 7 - штанга; 8 - корпус форсунки; 9 - пружина; 11 - регулировочный винт; 12 - контргайка; 13 - штуцер; 14 - трубопровод отвода утечек; 15 - гайка; 16 - штуцер
По формуле (1) определяются утечки в системах подачи топлива без остаточного давления или его малом значении. Время утечек (от ^ до 1:2) зависит от продолжительности процесса изменения давления в форсунке (30-40
гр.п.в.н.). По формуле (2) дополнительно определяются утечки в системах подачи топлива с учётом остаточного давления (давления между впрысками). Топливо дополнительно вытекает через зазор между иглой и корпусом распылителя за период между впрысками (320-330 градусов).
На рисунке 2 приведены расчетные значения утечек топлива за цикл в зависимости от величины зазора в распылителях форсунки и остаточного давления для тепловозного дизеля 16ЧН 26/26 [5].
Рисунок 2 - Изменение утечек топлива за цикл в зависимости от радиального
Частота вращения кулачкового вала насоса была принята 500 мин-1, диаметр иглы 8 мм, длина уплотняющей части распылителя 30 мм, среднее давление в форсунке 50 МПа, продолжительность превышения давления в форсунке над остаточным 40 гр.п.в.н., динамическая вязкость топлива 1,5-10-3 Па-с, кинематическая вязкость 1,8 сСт [6]. При радиальном зазоре 5 мкм (диаметральный 10 мкм) утечки топлива из линии высокого давления достигают за цикл 20 мм3 (остаточное давление 20 МПа). Это приводит к уменьшению цикловой подачи примерно на такую же величину и снижает мощность двигателя.
Если для двигателя 16ЧН 26/26 утечки топлива за цикл из одной форсунки равны 20 мм3 (при частоте вращения вала насоса 500 мин-1), то за час утечки составят 600 000 мм3, а из 16 форсунок - 9,6 л топлива. Сливаемое топливо из дренажной магистрали форсунок с гидромеханическим управлением представляет собой только утечки топлива через зазор между иглой и направляющей корпуса распылителя.
О 2 * Л 6
6 $
зазора и остаточного давления в нагнетательной магистрали
При диаметральном зазоре более 10 мкм (радиальный 5 мкм) нарушается центрирование посадочного конуса корпуса распылителя и иглы. При несовпадении центральных осей корпуса и иглы нарушается герметичность посадочного конуса. Утечки топлива через посадочный конус способствуют образованию кокса в сопловых отверстиях распылителей и повышению токсичности отработавших газов. По этой причине форсунка, у которой распылитель имеет диаметральный зазор более 10 мкм, считается аварийной (неисправность переходит в отказ) и распылитель заменяется новым. Данный вывод совпадает с результатами исследования, приведёнными в работе [7], что форсунки обеспечивают качественный впрыск с диаметральным зазором в распылителе до 9-12 мкм.
В последнее время вместо традиционных топливных систем с механическим управлением иглы применяют аккумуляторные системы с высоким давлением (до 250 МПа) и электронным управлением. Их применение способствует повышению экономичности дизеля, снижает токсичность отработавших газов - сажи, оксидов азота, углеводородов.
2 Топливные системы с электрогидравлическим управлением иглы распылителя форсунки
При замене топливной аппаратуры тепловозных дизелей с механическим управлением на электронное необходимо знать их устройство, принцип действия, расчёт, эксплуатацию, диагностирование и ремонт. На рисунке 3 показана форсунка с электрогидравлическим управлением хода иглы [7-9]. Пружина 17 через шток якоря 13 прижимает шариковый клапан 12, который закрывает жиклёр 11. Когда клапан управления 12 закрыт, то давление топлива в камере управления и в полости под иглой 2 будут равны друг другу. Площадь поршня 10 больше площади иглы 2, поэтому усилие со стороны поршня будет больше, чем со стороны иглы, и она будет находиться в закрытом состоянии. Впрыск топлива отсутствует.
Рисунок 3 - Форсунка с электромагнитным управлением: 1 - корпус распылителя; 2 - игла; 3 - гайка; 4 - штифт; 5 - втулка; 6 - пружина; 7 - шток; 8 - канал отвода утечек; 9 - втулка; 10 - управляющий поршень; 11 - жиклёр; 12 - шарик; 13 - шток якоря; 14 - отверстие для отвода утечек; 15 - втулка; 16 - катушка электромагнита; 17 - пружина якоря;
18 - сердечник; 19 - штуцер; 20 - разъем питания; 21 - жиклёр; 22 - штуцер;
23 - отверстие
При подаче напряжения на катушку электромагнита 16 якорь 13 будет притянут к сердечнику 18, сжимая пружину 17. Шариковый клапан 12 откроется, и топливо через перепускное отверстие будет вытекать из камеры управления, снижая давление над управляющим поршнем (плунжером) 10. Усилие со стороны управляющего поршня резко уменьшится.
Так как давление топлива под иглой не изменится (оно равно давлению в аккумуляторе), то игла 2 под действием высокого давления переместится в верхнее положение и откроет доступ к сопловым отверстиям, обеспечивая начало впрыска топлива. Впрыск продолжается до тех пор, пока подается напряжение на катушку 16 электромагнита. При отключении напряжения магнитное поле катушки исчезнет, а пружина 17 разжимаясь, закроет клапан 12. Подача топлива в камеру сгорания двигателя прекратится. Форсунка данного типа способна изменять угол опережения подачи топлива и характеристику впрыска.
На рисунке 4 показана двухфазная подача топлива, рекомендуемая для дизеля Д49. Данная характеристика позволит снизить жесткость процесса сгорания, токсичность отработавших газов и расход топлива. Запальная (предварительная) порция топлива (10-20 %) поступает в цилиндр для повышения в нем температуры и создания вихревого движения воздушного заряда. Основная порция топлива
(80-90 %) подаётся в КС с высокой температурой, задержка самовоспламенения уменьшается, что приведет к снижению жёсткости процесса сгорания.
f\ г
1
¡¡F ДО u.TJ № LiFl Г;Л
I
Рисунок 4 - Дифференциальная характеристика впрыскивания с запальной (предварительной) и основной подачей топлива
Площадь под кривой с учётом масштаба представляет собой действительную подачу топлива за цикл. Запальная порция топлива равна 150 мм3, а основная -850 мм3. Общая цикловая подача равна 1000 мм3. Продолжительность впрыска топлива составила 0,006 с или 30 градусов угла поворота коленчатого вала.
3 Диагностирование форсунок с электрогидравлическим управлением иглы распылителя форсунки
При нарушении герметичности перепускного клапана, увеличении утечек топлива через зазор «игла - корпус распылителя» и зазор «управляющий поршень - направляющая» характеристика впрыска изменяется, что приводит к изменению цикловой подачи, нарушению баллистики топливного факела.
Из отсечного отверстия (жиклёр) 11 (см. рисунок 3) при его открытии вытекает топливо (для процесса управления) за впрыск объемом, равным
П АР
■ ■ ■ ■ ■".'"■ , (3)
V Рт
где цр - эффективное проходное сечение жиклёра, м2;
$- скорость истечения топлива через жиклёр, м/с; ДР - среднее значение давления топлива в камере управления, Па; рТ - плотность топлива, кг/м3; 1 - время впрыска, с.
При среднем давлении в камере управления ДР = 70-106 Па ; плотности рТ=850
кг/м3; =0,14-10-6 м2 и времени 0,005 с (для продолжительности впрыска 15 градусов и частоты вращения вала насоса 500 мин-1) количество сливаемого
23
топлива из камеры управления за впрыск составит 250-10-9 м3 или 250 мм3. За одну минуту совершается, например, 500 циклов впрыска, и объем сливаемого топлива составит 125 000 мм3 или 125 см3.
В процессе диагностирования форсунок с электрогидравлическим управлением проверяют герметичность клапана управления. Критерием герметичности клапана (его исправности) и изменение его хода может служить значение объёма сливаемого топлива из форсунки. При требуемой герметичности клапанов количество сливаемого топлива из камеры управления каждой из форсунок должно быть одинаковым.
На рисунке 5 показана установка, состоящая из мерных ёмкостей для оценки технического состояния (герметичности) клапанов управления. Мерная ёмкость соединена со штуцером 19 форсунки (см. рисунок 3). Объем сливаемого топлива из одной форсунки вместе с утечками через зазор в распылителе при работе двигателя на номинальной частоте вращения коленчатого вала за одну минуту не должен превышать 150 см3 [10-13].
Сливаемое топливо из дренажной магистрали форсунок с электрогидравлическим управлением хода иглы представляет собой сумму утечек топлива через зазор между направляющей корпуса распылителя и иглой, через зазор в паре «управляющий поршень - направляющая» и слив топлива, необходимый для процесса управления иглой распылителя.
Утечки топлива через пару «игла - корпус распылителя» или «управляющий поршень - направляющая» за время Ät определялись по формуле
где d - диаметр иглы, м; 8 - радиальный зазор, м;
в - коэффициент, учитывающий эксцентричное расположение иглы (штока) в направляющей (1,1-1,15);
1 - длина направляющей части иглы (поршня), м; ц - коэффициент динамической вязкости топлива, Па-с (1,5-10-3); ДР - давление топлива в камере управления, Па
Диаметр иглы был принят 4 мм, управляющего поршня - 4,3 мм, длина иглы - 20 мм.
Рисунок 5 - Диагностирование технического состояния клапанов управления по объёму сливаемого топлива из штуцера форсунки
Для постоянного контроля утечек топлива через зазор в распылителе или сливаемого топлива из дренажной магистрали форсунки с электромагнитным управлением предлагается прибор с датчиком для измерения малого расхода топлива и записи его величины (рисунок 6). Датчик устанавливается в линию слива топлива из форсунки. По анализу показаний каждого из датчиков можно анализировать значение зазора в распылителе каждой в отдельности форсунки с механическим управлением или по значению расхода топлива определять состояние клапанов управления форсунок с электромагнитным управлением.
Рисунок 6 - Электронный датчик для измерения малых расходов топлива
Расчётные значения утечек через прецизионную пару «игла-корпус распылителя» и «управляющий поршень-направляющая» в зависимости от величины зазора и давления приведены в таблицах 2 и 3. При радиальном зазоре 6 мкм утечки (например, при давлении в аккумуляторе 200 МПа) достигают значения, равного 100 мм3, что окажет отрицательное влияние на протекание процесса впрыска топлива.
Таблица 2 - Утечки топлива в мм3 за цикл через пару «игла - корпус распылителя» в зависимости от величины зазора и давления в аккумуляторе
Давление в аккумуляторе, МПа Радиальные зазоры в распылителе, мкм
1 2 4 6 8
50 0,11 0,92 7,35 25 59
100 0,23 1,84 14,7 50 118
150 0,34 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 для давления в аккумуляторе от 50 до 250 МПа определяют зазоры в парах «игла - корпус распылителя», оценивают их предельную величину и определяют возможность дальнейшей эксплуатации форсунок.
Таблица 3 - Утечки топлива в мм3 за цикл через «управляющий поршень -направляющая» в зависимости от зазора и давления в камере управления
Максимальное давление в Радиальные зазоры, мкм
аккумуляторе и среднее в камере 1 2 4 6 8
управления, МПа
50; 33 0,08 0,64 5,12 17,3 41,0
100; 70 0,16 1,28 10,24 34,6 82,0
150; 100 0,24 1,93 15,5 51,0 122,0
200;135 0,33 2,64 21,1 71,3 169,0
250; 170 0,4 3,28 26,2 88,5 210,0
ВЫВОДЫ
1 Предложена методика, позволяющая по величине утечек топлива из форсунок с гидромеханическим управлением определять величину зазора между иглой и корпусом распылителя. Предельный диаметральный зазор в распылителе принят равным более 10 мкм.
2 Применение форсунок с электрогидравлическим управлением позволит организовать двухфазный впрыск топлива с целью уменьшения жесткости процесса сгорания, токсичности отработавших газов и снижения расхода топлива.
3 Для топливной аппаратуры с электрогидравлическим управлением иглы форсунок выполнен расчет сливаемого топлива через управляющий клапан, определены утечки топлива в зависимости от давления в аккумуляторе, величины зазора в распылителе и в паре «управляющий поршень - направляющая».
4 Приведен контроль технического состояния клапанов управления форсунок с электрогидравлическим управлением по величине объема сливаемого топлива из штуцера форсунки или электронного датчика для измерения малых расходов топлива.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Марденский, В. П. Топливная аппаратура судовых дизелей / В. П. Марденский. - 2-е изд. - М. : Транспорт, 1973. - 168 с.
2 Михайлова, Л. Ю. Диагностика форсунки дизеля по анализу хода иглы и утечкам топлива / Л. Ю. Михайлова // Вестник инновационного евразийского университета. - Павлодар, 2011. - № 3 (43). - С. 99-105.
3 Ордабаев, Е. К., Ахметов, С. И., Есаулков, В. С. О расширении возможностей метода рециркуляции отработавших газов в поршневом двигателе внутреннего сгорания // Наука и техника Казахстана. - 2019. - № 1. - С. 22-26.
4 Волкова, Л. Ю. Совершенствование диагностирования технического состояния форсунок тепловозных дизелей: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.22. 07 / Волкова Лариса Юрьевна, Омск, 2014. - 19 с.
5 Химмотология: учебное пособие / Ю. П. Макушев, Л. Ю. Михайлова, А. В. Филатов. - Омск : СибАДИ, 2010. - 160 с.
6 Гуревич Д.Ф. О роли зазора в распылителе / Д.Ф. Гуревич. «Известия вузов. Машиностроение», 1963, № 8. - С. 81-85.
7 Макушев, Ю. П. Расчет систем и механизмов двигателей внутреннего сгорания математическими методами: учебное пособие / Ю. П. Макушев, Т. А. Полякова, Л. Ю. Михайлова, А. В. Филатов. - Омск : СибАДИ, 2011. - 284 с.
8 Системы подачи топлива и воздуха дизелей : учебное пособие / Ю.П. Макушев, А.П. Жигадло, Л.Ю. Волкова. - Омск : СибАДИ, 2017. - 208 с.
9 Системы питания дизелей [Электронный ресурс] : монография / Ю.П. Макушев, Л.Ю. Волкова, А.П. Жигадло: кафедра «Тепловые двигатели и автотракторное электрооборудование». - Омск : СибАДИ, 2017. - 168 с. Режим доступа : http://lib.sibadi.org/books/ed2228.
10 Губертус, Гюнтер. Диагностика дизельных двигателей. Серия «Автомеханик»; пер. с нем. Ю.Г. Грудского. - М. : ЗАО КЖИ «За рулем», 2004. - 176 с.
11 Волкова, Л. Ю., Макушев Ю. П. Диагностирование процесса подачи топлива в дизелях // Наука и техника Казахстана. - 2018. - № 2. - С. 19-29.
12 Уве, Рокош. Бортовая диагностика. Перевод с нем. ООО «СтарСПб». М. : ООО, Изд-во «За рулем», 2013. - 224 с.
13 Макушев, Ю. П., Рындин, В. В., Волкова, Л. Ю. Особенности эксплуатации топливной аппаратуры дизеля с замкнутым объёмом форсунок // Наука и техника Казахстана. - 2019. - № 3. - С.
Материал поступил в редакцию 16.12.19.
Волкова Лариса Юрьевна
т^.к., доцент, «Кемелж энергетикальщ кондырFылар жэне жылуэнергетикасы» кафедрасы, Калининград мемлекетлк техникалыщ университет^
Калининград к., 236000, Ресей Федерациясы, e-mail: volkova0969@mail.ru. Материал 6acnaFa 16.12.19.tyctl
КYштiк диагноз дизельд1 суйьщтьщты отыннын YCTiHe кою дайындаудан
Гидромеханикалъщ бацылаумен шашатын цондыргылардан отын агып кету шамасы арцылы инешц жэне сацылау денестщ арасындагы алшацтыцты аныцтауга мумктдж беретш эдю усынылады. Электр гидравликалыц бацыланатын шашатын инелерiмен отын жабдыцтары ушт клапан арцылы шыгарылатын отынды есептеу жyргiзiлдi, аккумулятордагы цысымды, сацылаудагы жэне «поршендi басцару пультi» жубыныц босагасына байланысты отын агуы аныцталды. Басцару клапандарыныц техникалыц жай-кушн саптамасынан шыгарылатын отын квлемте бацылау жyргiзiледi. Жанармайдыц агып кетут узж-узж цадагалау ушт шашатын немесе отынныц электромагниттi бацылауыг бар агызу цубырынан шыгарылган отынныц квмегiмен жанармайдыц твмен шыгынын влшеуге жэне оныц мэшн жазып алуга болады.
Кiлттi свздер: шашатын, диагностикалау, агып кету, тазарту, бацылау клапаны
Volkova Larisa Yurevna
Candidate of Engineering Sciences,
Associate Professor Department of Ship Power Stations and Power System,
Kaliningrad State Technical University,
Kaliningrad, 236000, Russian Federation,
e-mail: volkova0969@mail.ru.
Material received on 16.12.19.
The diagnosis of diesels injectors on the volume of fuel drained from the drain line
A method that allows for the largest leaks offuel from the injectors with hydromechanical control to determine the gap between the needle and the nozzle body. For fuel with electrohydraulic control apparatus needle injectors have been calculated by the discharged fuel valve, fuel leakage determined depending on the pressure in the accumulator, the gap in the nebulizer and the pair of "control piston - guided". An inspection of technical condition of largest amount of drained fuel control valve of the injector nozzle. For continuous monitoring offuel leaks through the gap in the sprayer or the fuel drained from the drain line of the nozzle with electromagnetic control, a device with a sensor for measuring small fuel consumption and recording its value is offered.
Keywords: spray nozzle, diagnostics, leak, gap, control valve.
