CC BY
216
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
удк б21.23б.о38 а. и. ВОЛОДИН
Л. Ю. МИХАЙЛОВА Ю. П. МАКУШЕВ
Омский государственный университет путей сообщения
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
г. Омск
ПРИЧИНЫ ОБРАЗОВАНИЯ КОКСА В СОПЛОВЫХ ОТВЕРСТИЯХ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ФОРСУНОК ДИЗЕЛЕЙ
В статье приведены причины образования кокса в сопловых отверстиях, главными из которых являются прорыв газа из цилиндра дизеля в полость распылителя и повышение температуры его корпуса, даны рекомендации по снижению закоксо-вывания распылителей форсунок в процессе эксплуатации.
Ключевые слова: сопло, игла распылителя, прорыв газов, температура, кокс, за-коксовывание.
Физическая природа образования коксовых отложений в распылителях не имеет однозначной трактовки. Накопленный опыт работы по анализу причин нагарообразования в распылителях позволил прийти к выводу, что основными причинами образования кокса в распылителях форсунок дизелей является прорыв газов в его полость в конечной фазе впрыскивания и наличие высокой температуры [1].
В процессе диагностики форсунок и определении закоксованных распылителей важным является нахождение причин образования кокса. От-
работавшие газы, кроме повышения температуры распылителя, несут с собой продукт неполного сгорания дизельного топлива — сажу. Изучение дизельной сажи показало, что проекция её первичных частиц имеет сферическую форму. Для дизельной сажи характерным является образование вторичных структур размером 0,4 — 4,0 мкм. В процессе работы двигателя сажевые образования соединяются в конгломераты с поперечниками от 4 до 60 мкм, которые объединяются в цепи длиной от 20 до 120 мкм [2]. Сажа способна проникать в полость рас-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
9
50
30
20
10
\<Рд 4
/1
> * -Ї /л. С \
9с Г т
мм
ЬО
20
О
В 10 12 и 16 МПа
Р*п------------
Рис. 1. Зависимость продолжительности впрыска топлива на двигателе (фд), стенде (фс) и глубины проникновения газов (!л) в полость распылителя от величины давления открытия иглы (Рфо)
пылителя через сопловые отверстия диаметром 0,2 — 0,5 мм.
Частицы дизельной сажи, соединяясь с лаковой пленкой испарившегося топлива, способны образовывать твердые коксовые отложения. Дополнительно наполнителем лаковой пленки могут быть механические частицы, продукты сгорания масла с присадками.
Воздух, поступающий в двигатель, содержит механические примеси (пыль, которая представляет собой мелкие частицы дорожного покрытия). Пыль может содержать до 70 % окиси кремния SiO2, до 20 % закиси железа FeO3, до 10 % окиси алюминия А1203. Основная часть пыли задерживается воздушным фильтром, но небольшое её количество поступает в цилиндры.
Дополнительно в цилиндре при сгорании углеводородного топлива и недостатке кислорода воздуха образуется углерод (сажа), а в результате трения и износа появляются частицы железа и алюминия. В работе [3] исследован механизм образования нагара на деталях поршневой группе и его состав. Анализировались образцы нагара на днище поршня и в канавках компрессионных, маслосъемных колец. Исследования показали, что во всех образцах нагара содержится до 67 % углерода. На днище поршня содержится железа примерно 4,0 %, алюминия до 1,25 %. Таким образом, проникающие газы из камеры сгорания в полость распылителя могут содержать сажу, частицы алюминия, железа и кремния.
При снижении давления начала открытия иглы (Рфо) ниже критического газы проникают в полость распылителя. На рис. 1 показано, что при давлении (Рфо) менее 12 МПа продолжительность впрыска топлива на двигателе (фд), становится больше, чем на безмоторном стенде (фс) и прорыв газов (Ьп) в полость распылителя увеличивается.
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 1750 мин-1 и цикловой подаче 100 мм3. Заштрихованная область «А» является зоной прорыва газов и возможного образования кокса. Глубина прохождения газов в полость распылителя оценивалась дли-
Рис. 2. Зависимость температуры носика распылителя і от Р
ной отложения кокса на поверхности иглы (потемнением).
В процессе длительной эксплуатации дизеля величина (Рфо) снижается в результате износа контактирующих поверхностей корпуса форсунки, 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 подвижности иглы, её зависании или увеличении хода.
При снижении Рфо (рис. 2) повышается температура носика распылителя tp (зона сопловых отверстий). Это происходит в результате увеличения подачи топлива и температуры в цилиндре, прорыва газов в полость распылителя.
В процессе эксплуатации дизеля происходит износ контактирующих поверхностей корпуса форсунки, торца иглы и посадочного конуса, в результате чего ход иглы увеличивается.
На рис. 3 показано, что с увеличением максимального хода иглы у повышается температура носика распылителя tp в результате увеличения эффективного проходного сечения распылителя и цикловой подачи. Кроме того, при значительном увеличении хода иглы в результате действия сил инерции она не успевает «следить» за изменением давления в полости форсунки, что приводит к замедленной посадке на седло. Перепад давления в камере сгорания и полости форсунки увеличивается, что способствует прорыву газов и увеличению температуры распылителя.
После окончания впрыскивания внутренние поверхности распылителя остаются смоченные топливом, которое под воздействием высокой температуры (200-250°С), за период между впрыскиванием преобразуется в лаковую пленку. Сажа, частицы алюминия, железа и кремния контактируя с лаковой пленкой, «прилипают» к ней, образуя на поверхности металла коксовые отложения.
Для ликвидации прорыва газов рекомендуют увеличивать Рфо путем повышения усилия на пружи-
г
250 I. 2Ш 230 220 2Ю 200 190 180
0,3 0,35 ОА 0А5 0,5, мм
У-----------
Рис. 3. Зависимость температуры носика распылителя Ьр от максимального хода иглы у
не, но это приводит к росту напряжений в запорном конусе распылителя и его износ.
Увеличение Рфо без изменения усилия на пружине и контактных напряжений в запорном конусе распылителя возможно при уменьшении диаметра иглы.
Давление начала подъема иглы определяется выражением
рфо =~Г~Г' (1)
ги гк
где Fn — сила сжатия пружины, Н; / — площадь поперечного сечения иглы, м2; / — площадь посадочного конуса иглы, м2.
Из анализа выражения (1) следует, что при неизменной величине F значение Р. можно увеличить
п фо
путем уменьшения / или диаметра иглы ^.
На рис. 4 показано влияние диаметра направляющей части иглы (^) и соответственно ее площади (/и) на параметры процесса впрыскивания. При уменьшении & с 6 до 4,5 мм значение динамического давления начала открытия иглы Рфо увеличилось с 18 до 58 МПа. При этом снизились продолжительность впрыска фв и цикловая подача дц, повысилась максимальная величина давления в полости форсунки Рфм-Давление начала посадки иглы на седло увеличилось с 6 до 14 МПа. Усилие пружины форсунки оставалось постоянным и соответствовало 340 Н.
Давление начала посадки иглы на седло Рп меньше статического давления начала открытия иглы (Рфос) и определяется по формуле
РЛ=(0,5-0,7)-Рфос. (2)
Повышение давления, скорости истечения топлива из сопловых отверстий, а также увеличение давления посадки иглы на седло будут препятствовать прорыву газов в полость распылителя и образованию кокса в сопловых отверстиях.
Для снижения возможности прорыва газов в полость распылителя и образования кокса в сопловых отверстиях рекомендуется использование распылителей с меньшим диаметром направляющей иглы. Прорыв газов возможен при неблагоприятных сочетаниях конструктивных и регулировочных параметров топливной аппаратуры. Главным, но не единственным условием прорыва газов является превышение давления газов в цилиндре (Рг) над давлением топлива в распылителе форсунки (Рф).
Рис. 4. Зависимость параметров процесса впрыска топлива от диаметра иглы
Дополнительным условием является наличие свободных объемов (газовой фазы) в линии высокого давления или продолжающая посадка нагнетательного клапана. В момент, когда игла еще не закрыта, а давление в цилиндре выше давления топлива, газы смещают столб топлива и проникают в распылитель.
Для оценки возможности прорыва газов в полость распылителя на режиме номинальной мощности двигателя Д-440 (рис. 5) снимались осциллограммы хода иглы 1 (У), давления топлива в камере распылителя 2 (Рф), давления газов в цилиндре 3 (Рг), хода нагнетательного клапана 4 ^к) и фиксировалось положение поршня в ВМТ.
Рассмотрим конечную фазу впрыскивания топлива от точки С пересечения линий давлений Рф и Рг. В зоне «А» при открытой игле форсунки и условии Рг>Рф возможен прорыв газов и закоксовывание сопловых отверстий распылителей. Прорыву газов способствует возможное смещение потока топлива (зона «В») газами при движущемся и ещё не закрытом нагнетательном клапане или наличие остаточных свободных объемов.
Для устранения прорыва газов необходимо, чтобы конструктивные и регулировочные параметры топливной аппаратуры обеспечивали посадку иглы и нагнетательного клапана на седло до точки пересечения давлений Рф и Рг.
В работе [4] 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. В начале и конце цикла на стенде постоянного давления определялось эффективное проходное сечение распылителей. Регулировка насоса высокого давления оставалась неизменной. Для оценки влияния конструктивных, эксплуатационных и регулировочных параметров 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 в распылителях.
При испытании дизеля Д-440 с форсунками, укомплектованными по «технологическому» варианту (ход иглы 0,3 мм, давление открытия 16 МПа), не обнаружена склонность распылителей к образо-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
вмт
мм
4
О
О
0,1
0,2
0,3
мм
> ■— ~в~ 1 1 1-.
/ \ £
N V
/ л
/
Г \
1 г \
т
/ < 1 \
-2 Ч
\ н
ш 11 с V Л /
\ г
— /1 —
МПа
30
25
20
15
10
5
О
Р
12
16 20, град. кул.
Рис. 5. Определение возможности прорыва газов в полость распылителя:
1 — движение иглы;
2 — изменение давления в полости форсунки Рф; 3 — изменение давления газов в цилиндре Рг;
4 — движение нагнетательного клапана
ванию кокса. Величина закоксовывания сопловых отверстий форсунок, укомплектованных по «эксплуатационному» варианту, достигала 10—15 %, а аварийному — 50 % [4] .
При переводе рабочего процесса дизеля на газ, воспламеняют его обычно запальной порцией топлива. С целью экономии топлива величину запальной порции уменьшают, что приводит к снижению энергии впрыска, уменьшению давления при посадке иглы на седло и возможному образованию кокса в сопловых отверстиях распылителя.
На рис. 6 показаны осциллограммы изменения хода иглы (У), давления в полости форсунки (Рф), угол поворота коленчатого вала (ф) и давления газов в цилиндре (Рг) газодизеля КамАЗ-7409, работающего на номинальном режиме (лн= 1300 мин-1, дц=10 мм3). На диаграммах показаны Рнп — давление в начале посадки иглы, Ркп — давление в конце посадки иглы на седло. Форсунка имела распылитель с эффективным проходным сечением [/=0,19 мм2 и давлением открытия иглы Рф0 = 20 МПа.
Из анализа осциллограмм следует, что при посадке иглы на седло отсутствует прорыв газов в полость распылителя, так как Рф>Рг. Даже при окончательной посадке иглы на седло давление Ркп>Рг. После окончания впрыскивания топлива газы могут заполнить объем распылителя только до посадочного конуса (сопловые отверстия, колодец).
На рис. 7 показано изменение запальной порции топлива ^ц) газодизеля, давления топлива в камере распылителя в начальный (Р ) и конечный (Р ) моменты посадки иглы на седло, а также давления газов в камере сгорания (Рг) в зависимости от частоты вращения вала насоса (лн).
Из представленных графиков следует, что при уменьшении частоты вращения от 1300 до 850 мин-1 значение Ркп>Рг, что препятствует прорыву газов в полость распылителя. Однако, при изменении пн от 850 до 600 мин-1 величина Ркп<Рг , что создает условия для прорыва газов в полость распылителя и образования нагара. Следует отметить, что даже при
♦
Р
МПа
20
18
16
и
12
10
8
6
4
2
Кг
' Р \ 1 нп
р V ' КГ! О
УГ
мм
0,1
0,05
0
У
-20 -10 9 —
0
<-10°
Рис. 6. Совмещенные осциллограммы процесса подачи запальной порции топлива и давления газов в цилиндре
МПа
12
10
8
6 Р 4
2
500 700 900 1100 1300 мин
пн -------_
Рис. 7. Изменение цикловой подачи топлива, давления в распылителе и камере сгорания в зависимости от частоты вращения вала насоса
отсутствии прорыва газов в полость распылителя он способен закоксовываться, если сопловые отверстия будут иметь высокую температуру (больше 250°С), а топливо малую энергию впрыскивания (давление и скорость).
Топливная аппаратура газодизеля с [/=0,19 мм2, диаметром иглы 6 мм при подаче малой запальной порции топлива (10—16 мм3) создает низкое давление перед сопловыми отверстиями (примерно 22 МПа). Для обеспечения более высоких давлений впрыскивания и уменьшения образования кокса рекомендуется увеличить запальную порцию топлива до 20 — 25 мм3 с переходом на распылители с меньшим диаметром направляющей части иглы.
Выводы.
1. Главной причиной образования кокса в сопловых отверстиях распылителей является прорыв в его полость рабочих газов из цилиндра.
2. Прорыв газов возможен в конечной фазе впрыскивания при открытой игле, когда давление в цилиндре больше давления топлива в полости форсунки.
3. Температура распылителя в районе сопловых отверстий увеличивается в результате прорыва газов из цилиндра, причинами которого являются сни-
жение давления начала подъема иглы или увеличение её хода.
4. Для повышения давления начала посадки иглы на седло и уменьшения интенсивности закоксовы-вания сопловых отверстий рекомендуется применение распылителей с меньшим диаметром направляющей.
5. Конструкция распылителя и величина запальной порции топлива для дизеля, работающего на газе, должна обеспечивать давление при посадке иглы на седло больше, чем давление газов в цилиндре.
Библиографический список
1. Трусов, В. И. Форсунки автотракторных дизелей / В. И. Трусов, В. П. Дмитриенко, Г. Д. Масляный. — М. : Машиностроение, 1977. — 167 с.
2. Василевский, В. П. Повышение срока службы форсунок автотракторных дизелей путем уменьшения интенсивности их закоксовывания : автореф. дис. ... канд. техн. наук / В. П. Василевский. — М., 1987. — 17 с.
3. Пермяков, В. В. Физико-химические свойства нагаров / В. В. Пермяков, А. А. Усольцев, А. М. Степаненко // Актуальные проблемы развития и эксплуатации поршневых двигателей в транспортном комплексе Азиатско-Тихоокеанского
региона : материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Двигатели 2008» / Под ред. В. А. Лашко. — Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2008. — С. 272 — 275.
4. Экспериментальное определение оптимального сочетания режимов работы двигателя и выбор методики закоксовывания распылителей : отчет о НИР : 272 ; рук. Комаров В. А., исп.: Климов В. М., Макушев Ю. П., Василевский В. П. — Павлодар : Павлодарский индустриальный институт, 1980. — 50 с.
ВОЛОДИН Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, действительный член Академии транспорта РФ, первый проректор, проректор по учебной работе Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС). МИХАЙЛОВА Лариса Юрьевна, аспирантка кафедры «Локомотивы» ОмГУПС.
МАКУШЕВ Юрий Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплотехника и тепловые двигатели» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 04.05.2012 г.
© А. И. Володин, Л. Ю. Михайлова, Ю. П. Макушев
уДК 543.57:620.181.4 Е. Н. ЕРЁМИН
Ю. О. ФИЛИППОВ Г. Н. МИННЕХАНОВ Б. Е. ЛОПАЕВ
Омский государственный технический университет
ООО «НПФ «ЛиКОМ», г. Омск
ИССЛЕДОВАНИЕ
ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СПЛАВЕ ЖС6У МЕТОДАМИ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Проведены исследования кинетики кристаллизационных процессов и фазовых превращений в сплаве ЖС6У. Показано, что модифицирование приводит к изменению строения расплава, условий кристаллизации и выделения основных и избыточных фаз. Ключевые слова: жаропрочный никелевый сплав, модифицирование, термический анализ, кристаллизация, эвтектика, упрочняющая фаза.
Для установления закономерностей кристаллических процессов жаропрочного никелевого сплава ЖС6У при комплексном модифицировании и оценке его эффективности, различными методами термического анализа исследовали особенности фазовых превращений и определяли смещение их температурных границ. В качестве модификатора использовали ультрадисперсные порошки карбони-трида титана, обеспечивающего существенные изменения структуры и повышение свойств отливок из жаропрочных сплавов [1, 2].
При образовании и кристаллизации первичного переходного слоя на инокуляторах должно выде-
ляться тепло, которое может быть зафиксировано с помощью методов термографии [3 — 5]. При этом как на кривой нагрева, так и на кривой охлаждения расплава будут наблюдаться изломы, свидетельствующие о выделении энергии и указывающие на протекание фазовых превращений.
Для исследования фазовых превращений в сплаве ЖС6У при высоких температурах использовали метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), который относится к термоаналитическим методам и служит для исследования химических реакций, фазовых и других физико-химических превращений, происходящих под влиянием
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
