CC BY
87
УДК 621.43.038.8 Т.Ю. Гурин
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ТОПЛИВОПОДАЧИ ФОРСУНКАМИ ЗАКРЫТОГО И КЛАПАННОГО ТИПА АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
В статье рассмотрены достоинства и недостатки распылителей форсунок с различной организацией рабочего процесса и приведены результаты сравнительных исследований процесса топливоподачи форсунками закрытого и клапанного типа.
Из многообразия различных видов форсунок широкое применение получили форсунки закрытого типа с штифтовыми или многодырчатыми распылителями в зависимости от типа камеры сгорания двигателя. Их основное отличие в распылителе и отдельных конструктивных элементах. Форсунки имеют от двух до шести сопловых отверстий диаметром от 0,15 до 0,35 мм, количество и направление осей сопловых отверстий распылителя определяется при доводке двигателя и зависит от формы камеры сгорания, угла установки форсунки в головку двигателя и места выхода носка распылителя в камере сгорания. Подъем иглы в форсунках различных дизелей составляет 0,2—1,3 мм и ограничивается упором. На рис. 1 показаны форсунки закрытого типа с многодырчатыми распылителями, применяемые в отечественных и зарубежных дизелях [3].
Так, у форсунки дизеля ЯМЗ-240, приведенной на рис. 1,а, длина штанги уменьшена до минимально возможной, так как при уменьшении массы подвижных деталей форсунки снижаются инерционные силы и контактные напряжения в запорных конических поверхностях иглы и корпуса распылителя при посадке иглы на седло.
К перспективным можно отнести закрытые форсунки аккумуляторной системы Common Rail фирмы R. Bosch (рис. 1,б), в которых процессом топливоподачи управляет электромагнитный клапан. Такие форсунки получили названия электрогидравлические и обеспечивают давление впрыска до 160 МПа [3].
На рис. 1,в показана форсунка карандашного типа фирмы Rikardo, у которой прецизионная часть иглы вынесена на уровень выше точки подвода топлива к форсунке. Это позволило уменьшить диаметр прецизионной части до 4 мм и диаметра запирающего конуса до 2 мм, что позволило уменьшить наружный диаметр самой форсунки до 9,5-14 мм.
Таким образом, к достоинствам форсунок закрытого типа относят [1]:
- малую продолжительность и четкое окончание процесса подачи топлива;
- предотвращение опасности резкого ухудшения распыливания топлива на малых скоростных и нагрузочных режимах работы дизеля;
- обеспечение достаточной герметичности системы при высоких давлениях в ней;
- возможность регулирования давления начала подачи в соответствии с особенностями протекания рабочего процесса дизеля.
Несмотря на перечисленные положительные качества форсунок закрытого типа, им присущи и недостатки. Существенным недостатком форсунок этого типа является их низкая надежность, до 80% всех отказов по системам питания падает именно на форсунки. Подвисание и прихватывание иглы форсунок, разбивание запорного конуса распылителя, изменения характеристики пружины, износ по торцам всех сопряжений форсунки и, как следствие, уменьшение усилия затяжки пружины, падение давления впрыска, ухудшение качества распыливания топлива, мощностных и экономических показателей двигателя. В процессе работы в форсунках давление газов в цилиндре двигателя приводит к уменьшению давления топлива в моменты начала и конца подачи, что ведет к ухудшению экономичности дизеля [2].
При увеличении цикличности возрастает влияние сил инерции движущихся деталей форсунки, что приводит к запаздыванию посадки иглы на седло и утрате основного преимущества закрытой форсунки -четкости окончания процесса впрыска.
Наряду с совершенствованием технологических мероприятий, направленных на уменьшение стоимости, повышения точности изготовления цилиндрических прецизионных поверхностей топливной аппаратуры и их работоспособности, всегда стремились к устранению из топливной аппаратуры наиболее дорогостоящих и трудоемких в изготовлении прецизионных пар (плунжерные пары ТНВД, игла - корпус распылителя), которые лимитируют долговечность топливной аппаратуры в целом.
Рис. 1. Конструкции форсунок закрытого типа автотракторных дизелей
Более благоприятными для дизельных двигателей являются форсунки клапанного типа, свободные от недостатков форсунок с прецизионной парой игла - корпус распылителя. Клапанные форсунки имеют клапаны, открывающиеся по потоку топлива против направления действия газов цилиндра, полностью омываемые топливом вместе с их пружинами и не требующие соединения линии высокого давления с атмосферой. В этом принципиальное отличие клапанных форсунок от закрытых.
Исследователи В.Е. Горбаневский, Ю.П. Долгополов, В.Г. Кислов и П.П. Бенар [2] под руководством профессора И.В. Астахова разработали ряд форсунок с беспрецизионными клапанами, содержащими сферический клапан (рис. 2,а). Клапанные форсунки имеют малые диаметральные размеры, массу подвижных деталей и являются прямоточными узлами, в которых клапаны открываются по направлению движения топлива, а после их установки на двигатель отсутствуют всякие связи внутренней полости с атмосферой.
Таким образом, клапанные форсунки со сферическим клапаном имеют следующие преимущества по сравнению с закрытыми форсунками [2]:
- отсутствие прецизионных деталей;
- обеспечение минимально возможных габаритных размеров и массы подвижных деталей;
- совпадение направления действия пружины и газов в цилиндре двигателя, что позволяет применить малогабаритную работоспособную цилиндрическую пружину сжатия, обеспечивающую только около 70% необходимых усилий;
- интенсивное охлаждение деталей форсунки топливом, впрыскиваемым в цилиндр двигателя;
- отсутствие противодействия давления газов пружине форсунки способствует при прочих равных условиях более четкое окончание впрыскивания;
- отсутствие соединения линий высокого давления с внешней средой полностью исключает утечки топлива из правильно смонтированной форсунки и, следовательно, устраняет разжижение смазки топливом и снижает пожароопасность, а также позволяет устранять сливные трубопроводы, устанавливаемые в ряде случаев на закрытых форсунках.
Существенный недостаток форсунок клапанного типа - пружина установлена за клапаном, перед сопловыми отверстиями распылителя. В результате увеличивается объем топлива перед распыливающими отверстиями и способствует его подтеканию в конце процесса впрыска.
Учитывая вышесказанное, на кафедре тракторов, автомобилей и эксплуатации МТП в ОмГАУ была разработана экспериментальная форсунка клапанного типа [4] и были проведены сравнительные исследования процесса топливоподачи. На рис. 2,б показана схема экспериментальной форсунки клапанного типа,
изготовленной на базе штатной закрытой форсунки ФД-22 двигателя Д-240, в распылитель которой помещен шариковый клапан в сборе с седлом. Клапан расположен в зоне сопловых отверстий распылителя, имеет пружинную подвеску и открывается по потоку впрыскиваемого топлива. Диаметр шарикового клапана 2,4 мм, а его масса 0,06 г, тогда как масса иглы штатной форсунки ФД-22 составляет 32 г.
При разработке новых и совершенствовании существующих систем питания дизельных двигателей особое место занимают исследования характеристик топливоподачи опытной системой. Причем требования к параметрам топливоподачи, главным образом, зависят от способа смесеобразования в цилиндре. Поэтому исследование характеристик впрыска и параметров, связанных с процессом топливоподачи, является первоочередной задачей при проектировании новых или модернизации существующих систем питания дизелей [1; 3].
а б
Рис. 2. Схемы конструкций форсунок клапанного типа
Для исследований характеристик впрыска форсунок на кафедре была также создана установка для осциллографирования на базе 12-канального усилителя, входящего в состав тензометрической станции УТС1 -ВТ-12/35 на несущей частоте 35 кГц и платы аналого-цифрового преобразователя Ла-2М5, устанавливаемая в ^А шину материнской платы персонального компьютера. Рабочий диапазон регистрируемых частот усилителя доходит до 5 кГц, что вполне достаточно для регистрации процессов подачи топлива исследуемыми системами. Частота дискретизации АЦП при записи одновременно трех параметров 166 кГц, что позволяет с большой точностью в цифровой форме воспроизводить аналоговый сигнал частотой 5 кГц и более. Схема разработанной установки представлена на рис. 3.
Используемый усилитель предназначен для работы с магнитоэлектрическим (шлейфным) осциллографом. Отличием аналого-цифрового преобразователя от шлейфного осциллографа является его сопротивление и амплитудно-частотные характеристики. Это обстоятельство потребовало разработки и изготовления ряда вспомогательных радиотехнических устройств, основным из которых стал фильтр высокой несущей частоты.
На данной установке были исследованы характеристики подачи форсунок с различными способами организации рабочего процесса. Результаты сравнительных экспериментальных безмоторных исследований топливной системы дизеля Д-240 с штатной форсункой ФД-22 и экспериментальной клапанной форсункой
представлены на рис. 4 зависимостью перемещения иглы и клапана, продолжительности впрыска от величины цикловой подачи. Перемещение, продолжительность впрыска иглы или шарикового клапана регистрировались индуктивными датчиками. Давление начала срабатывания форсунок составляло 17,5МПа.
Рис. 3. Схема экспериментальной установки исследования процесса топливоподачи:
1 - топливный насос высокого давления УТН-5; 2 - датчики: тензометрический давления в топливопроводе у форсунки; индуктивный хода клапана форсунки; тензометрический характеристики впрыска; 3 - универсальная 12-канальная тензометрическая станция УТС1-ВТ-12/35; 4 - фильтр высокой частоты; 5 - персональный IBM PC/AT - совместимый компьютер с установленным в него аналогоцифровым преобразователем ЛА-2М5; 6 - монитор; 7 - принтер; 8 - клавиатура; 9 - мышь; 10 - блок питания тензометрической станции; 11 - блок питания фильтра высокой частоты; 12 - топливный стенд КИ-921М
20 ЬО 60 80 \/и, мм’/цикл
XXX ■ с клапанной форсункой; — в- -в- -в— с форсункой ФО-22;
Рис. 4. Зависимость параметров процесса впрыска от цикловой подачи при частоте вращения 1100 мин-1: 1-2 - ход иглы, клапана;3-4 - продолжительность впрыска
Как следует из графика, при изменении цикловой подачи от 10 до 80 мм3/цикл ход иглы штатной форсунки увеличивается от 0,1 до 0,3 мм. При этом ход клапана экспериментальной форсунки значительно меньше и изменяется в пределах от 0,05 до 0,12 мм.
Малая величина хода клапана, достигающая 0,12 мм при цикловой подаче 80мм3/цикл, объясняется незначительным дросселированием топлива по сопряжению клапана с седлом. Так, при открытии клапана на 0,06 мм проходное сечение между седлом и клапаном становится равным эффективному проходному сечению сопловых отверстий распылителя, которое является определяющим дальнейший ход клапана под действием незначительного перепада давления в полости носка распылителя и полости перед клапаном.
Продолжительность впрыска форсунок практически одинаковая и увеличивается от 1,0 до 3,2 -10-3с. Впрыск топлива экспериментальной форсункой происходит с мелким дроблением струи без подтекания в конце впрыска, что должно обеспечить хорошие мощностные и экономические показатели дизеля. Результаты данных исследований позволяют сделать вывод о полной применимости данных экспериментальных форсунок на современных дизелях по параметрам топливоподачи. Уменьшение инерционности подвижных деталей форсунки и отсутствие прецизионной направляющей поверхности при прочих равных условиях позволяют повысить надежность распылителя форсунки клапанного типа.
Литература
1. Топливные системы и экономичность дизелей / И.В. Астахов, Л.Н. Голубков, В.И. Трусов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.
2. Беспрецизионные клапанные форсунки быстроходных дизелей / В.Е. Горбаневский, Ю.П. Долгополов, В.Г. Кислов [и др.]; под ред. А.И. Ковалева. - Киев: Вища шк., 1987. - 142 с.
3. Гоехов, Л.В. Топливная аппаратура и системы управления дизелей. - 2-е изд. / Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко, В.А. Марков. - М.: Легион-Автодата, 2005. - 344 с.
4. Пат. № 60147 U1. Российская Федерация. МПК7 F02M 61/08. Форсунка / Л.Г. Ковалев, С.Б. Спиридонов, Т.Ю. Гурин; заявитель и патентообладатель Федер. гос. образоват. учреждение высш. профессион. образования «Ом. гос. аграр. ун-т». № 73200600010. Заявл. 16.06.2006. Опубл. 10.01.2007. Бюл. № 1. - 3 с.: ил.
----------+------------
УДК 624.21 И.Я. Богданов, П.В. Милашенко
МЕТОД УЧЕТА ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ДЕФОРМАЦИЙ
На основании проведенных исследований предложенного вариационно-разностного метода возможна разработка практических рекомендаций по оценке эксплуатационной пригодности железобетонных мостов. Применение этого метода, как обобщающего для метода конечного элемента, позволяет упростить анализ напряженно-деформированного состояния железобетонных автодорожных мостов, а также с достаточной степенью точности учитывать различные дефекты эксплуатируемых мостов, изменения конструкции, вызванные реконструкцией и усилением.
При оценке технического состояния пролетных строений автодорожных мостов с целью определения их грузоподъемности и эксплуатационной пригодности рекомендуется [1] испытание мостов на действие статической нагрузки. По результатам испытаний определяются прогибы балок пролетного строения, значения которых сравниваются со значениями прогибов, полученными в результате теоретических расчетов. При этом теоретические расчеты вполне выполнимы при достаточно подробном и полном учете пространственной работы пролетного строения (например, при использовании известной программы расчета «сила»).
В реальных условиях на пролетных строениях железобетонных мостов встречаются различные дефекты, такие, как выщелачивание бетона, сколы бетона в балках пролетных строений с обнажением арматуры, недостаточная толщина защитного слоя бетона, раковистая структура бетона, разрушение защитного слоя, неудовлетворительное состояние деформационных швов, трещины на поверхности бетона балок и др. Из приведенного перечня дефектов большое распространение имеют сколы бетона в балках пролетных
