Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Анализ теплового состояния и закоксовывашш распылителей форсунок форсированных дизелей 9
1.2. Особенности работы распылителей клапанно-сопловых форсунок 16
1.3. Способы снижения тепловой напряжённости и закоксовывания распылителей форсунок 19
1.4. Методы расчёта температурного режима распылителя 25
1.5. Задачи исследования 34
Расчётно-теоретические йсслщования тмператур-ного реша распылителей клаланно-сопловой форсунки
2.1. Методика расчётно-теоретического анализа теплообмена и определения граничных условий для расчёта температурного поля распылителей 36
2.2. Расчётные исследования температурных полей при реализации различных конструкторских и технологических мероприятий для снижения температуры распылителей 56
Выводы 72
Методика исслщований. экспериментальные установки и оборудование
3.1. Методика экспериментальных исследований температурного режима распылителей и показателей дизелей 2Т7,8/7,8 и 6ДН при различных условиях работы и применении различных сортов топлив 74
3.2. Конструкторские и технологические мероприятия по снижению температурного режима и закоксовывания распылителей 80
3.3. Методика экспериментальных исследовании дизелей при реализации мероприятий по снижению температурного режима распылителей 85
3.4. Экспериментальные установки, применяемое оборудование и погрешности измерений 89
Выводы 96
4. Результаты экспериментальных исслщовании теп-лонапряжёвности и закоксовыванш клапанно-соп-ловых форсунок дизелей 24 7,8/7,8 и 6дн
4.1. Исследование показателей рабочего процесса дизелей на различных сортах топлив 97
4.2. Исследование температурного режима распылителей при различных условиях работы дизелей 100
4.3. Результаты исследований эффективности конструкторско-технологических мероприятии по снижению температурного режима распылителей 105
4.4. Результаты исследования показателей дизелей при реализации мероприятии по снижению закоксовывания распылителей
4.5. Экономическая эффективность и внедрение в производство 124
Выводы 125
Заключение 128
Литература
- Анализ теплового состояния и закоксовывашш распылителей форсунок форсированных дизелей
- Методика расчётно-теоретического анализа теплообмена и определения граничных условий для расчёта температурного поля распылителей
- Методика экспериментальных исследований температурного режима распылителей и показателей дизелей 2Т7,8/7,8 и 6ДН при различных условиях работы и применении различных сортов топлив
- Исследование показателей рабочего процесса дизелей на различных сортах топлив
Введение к работе
І ководящими документами партии и правительства [ I] ставится задача увеличить производство дизелей с высокими технико-экономическими показателями, обеспечивающих повышенную агрегатную мощность, при одновременном уменьшении габаритов, металлоёмкости и расхода топлива, что должно служить основой курса на углубляющуюся дизелизацию автомобильного транспорта и сельского хозяйства. Задачу рационального использования топливных ресурсов наиболее полно будут решать те дизели, которые смогут использовать кроме дизельных топлив реактивное, автомобильные бензины, различные альтернативные топлива, т.е. топлива с широкими пределами самовоспламеняемости.
Получение стабильных по времени наработки параметров форсированных дизелей повышенной быстроходности, особенно при использовании топлив с широкими пределами самовоспламеняемости, ставит задачу создания более надёжных систем топливопода-чи. В первую очередь это относится к обеспечению надёжной работы форсунок дизелей путём снижения теплонапряжённости и закоксовывания распылителей. Проблема усугубляется, тем, что получение высокой литровой мощности при малом диаметре цилиндра и повышенной быстроходности, требует организации совершенного процесса газообмена, а это возможно при существенном уменьшении габаритов форсунки по сравнению с существующими, для размещения впускного клапана соответствующего размера. В этих условиях перспективной является клапанно-сопловая форсунка (КСФ), имеющая минимальные габариты, и , обеспечивающая безотказную работу запорного органа в условиях высокой цикличности.
Однако до настоящего времени не исследован процесс протекания закоксовывания распылителей КСФ, не определены безопасные в этом отношении температуры в зоне носка ( Ту ) и не разработаны научно-обоснованные способы снижения тепло-напряжённости, что ограничивает область применения этих форсунок и не позволяет использовать их преимущества в полной мере, Поэтому исследование и снижение теплонапряжённости и закоксовывания распылителей КСФ является актуальной задачей, имеющей важное научное и практическое значение, так как её решение позволяет:
- определить условия надёжной работы КСФ в отношении закоксовывания и обеспечить стабильность показателей форсированных дизелей повышенной быстроходности по времени наработки;
- сопоставить полученные результаты и выводы с имеющи- мися результатами для штифтовых и бесштифтовых форсунок и сделать новые обобщения по этой важной проблеме.
Основной целью выполненной работы являлось проведение расчётно-теоретических и экспериментальных исследований температурного режима распылителя КСФ форсированных дизелей повышенной быстроходности для обеспечения стабильности их параметров по времени наработки. В соответствии с этим в диссертации предусматривались:
- разработка метода расчётно-теоретического анализа теплообмена в распылителе КСФ и обоснование на его основе рациональных конструкторских и технологических мероприятий по снижению температурного режима распылителей;
- экспериментальное определение влияния температурного режима распылителей, параметров впрыскивания и режимов работы дизелей на закоксовывание распылителей;
- экспериментальное определение тешгонапряжённости и закоксовывания распылителей при работе на различных сортах топлив и реализации разработанных мероприятии для снижения температуры, рекомендация и внедрение мероприятий, обеспечивающих стабилизацию параметров дизелей.
Экспериментальные исследования проводились на дизелях 7 8 24-ІіН , 6ДЇЇ, Т6ДН автотракторного назначения, на которых применена КСФ и, конструкция которых соответствует перспективным направлениям в дизелеетроении.
Научную новизну работы составляют:
- учёт теплообмена с цилиндровыгли газами для боковой поверхности распылителя и теплообмена с впрыскиваемым топливом новыми расчётно-экспериментальными зависимостями при расчёте температурного поля распылителей;
- данные о влиянии температурного режима распылителей, параметров впрыскивания и режимов работы дизеля на образование отложений в сопловых каналах КСФ;
- рекомендации по снижению температурного режима и закоксовывания распылителей КСФ, применение способов их безразборной очистки, реализация которых позволяет повысить надёжность работы КСФ в условиях применения на дизелях различных сортов топлив.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- уточнённый метод расчёта температурного поля распылителя КСФ;
- результаты расчётных и экспериментальных исследований влияния различных конструктивных мероприятий, параметров впрыскивания и условий работы дизеля на температурное состояние и закоксовывание распылителя КСФ;
- мероприятия по повышению надёжности работы распылителей КСФ на различных топливах за счёт снижения температуры и применения безразборной очистки распылителей, позволяющие стабилизировать параметры форсированных дизелей повышенной быстроходности по времени наработки.
Анализ теплового состояния и закоксовывашш распылителей форсунок форсированных дизелей
Изучению теплового состояния и закоксовывания распылителей форсунок посвящены работы многих отечественных и зарубежных исследователей. Температурное состояние распылителя как и любой детали, принадлежащей камере сгорания, определяется особенностями осуществления и протекания рабочего процесса, степенью форсирования дизеля и эффективностью тех или иных конструкторских мероприятий, которые направлены на снижение температуры. В работах Нуссельта, Эйхельберга, Вош-ни, Костина, Розенблита, Петриченко и др. дан глубокий анализ влияния параметров рабочего процесса и условий движения газов в цилиндре на формирование температуры деталей камеры сгорания. В работах Пшпингера, Лоуе, Айзеле, Дцановского, Николаенко, Зеленихина, Свиридова, Трусова и др. вскрыта взаимосвязь температурного режима распылителей и целого ряда других факторов на образование коксовых отложений и лака на их поверхностях. Причина такого пристального внимания к этому вопросу состоит в том, что мощностные и экономические показатели дизеля в значительной степени определяются стабильной по времени наработки работой системы тошгивоподачи. По данным авторов [59,72] 38...50$ неисправностей дизеля приходится на топливную аппаратуру, наиболее слабым звеном которой являются форсунки, в связи с недостаточной надёжностью распылителей [28,99І . В работе І 99І указано, что около Ъ0% снижения мощности и 75$ мощности, лимитируемой дымностью, могут быть восстановлены путём очистки распылителей от отложений. Многолетний опыт эксплуатации автотракторных дизелей в нашей стране и за рубежом свидетельствует о том, что все типы штифтовых и многосопловых распылителей подвержены закоксовыванию, но под влиянием многочисленных причин оно происходит с различной интенсивностью. Общеизвестно, что образование отложений интенсифицируется на поверхностях, имеющих повышенную температуру, поэтому работы многих исследователей посвящены изучению температурного состояния распылителя, выявлению закономерностей его изменения под воздействием различных влияющих факторов: особенностей осуществления рабочего процесса, такт-ности, режимов работы и условий эксплуатации, конструктивных особенностей и др.
Несмотря на значительный прогресс в развитии расчётных методов исследования температурного состояния деталей камеры сгорания, температура распылителя, в основном, исследуется экспериментальным путём (термометрирование с помощью термопар), причём результаты экспериментальных исследований, полученные рядом авторов на различных типах дизелей и форсунок, отличаются разнообразием фактических данных. Из этого разнообразия фактических данных можно выделить ряд общих закономерностей, характеризующих температурное состояние распылителей штифтовых или бесштифтовых форсунок.
Практически всегда имеет место возрастание температуры при форсировании дизеля или при переходе с вихрекамерного смесеобразования на непосредственное впрыскивание топлива. Так по данным работы \22\ у тракторного СЗД-І4 (Jvg- 55 кВт, -lift = 1700 мин"1) и комбайного СМД-І7К ( Jve= 77 кВт, /7 = 1900 мин ) дизелей с вихрекамерным смесеобразованием и штифтовыми форсунками Ш температура донышка распылителя на расстоянии I мм от отверстия штифта и глубине 0,5мм на номинальном режиме работы равна соответственно 160 и 190С. У модификаций этих дизелей с непосредственным впрыскиванием топлива СВДЦ4Н и СМД-І7КН торцы распылителей форсунок ФД-22 на расстоянии 2мм от сопловых отверстий и глубине 0,5мм имели температуру соответственно 210 и 218С. Установлено [З3,6б] , что изменение формы камеры сгорания приводит к изменению температурного поля цилиндровой крышки. Переход от камеры типа "Гессельман" к камере в поршне типа ЦНИДИ существенно увеличивает радиальный перепад температур по огневому днищу цилиндровой крышки, что способствует повышению температуры распылителя. Имеющиеся публикации [8,24,34,73] свидетельствуют о том, что температура распылителя при этом повышается на 30...70С и может достигать значений 230...240С.
Существует единое мнение, что при прочих равных условиях температура распылителей у двухтактных дизелей выше чем у четырёхтактных [із, 41,86,117] .
Значительная часть экспериментальных исследований посвящена анализу теплового состояния распылителя и его взаимосвязи с режимами работы дизеля и условиями эксплуатации. В этих работах показано, что при увеличении нагрузки температура распылителя монотонно повышается, достигая наибольшего значения на режиме максимальной мощности [44,95] .
Методика расчётно-теоретического анализа теплообмена и определения граничных условий для расчёта температурного поля распылителей
В настоящее время для решения задач стационарной теплопроводности применительно к деталям двигателей внутреннего сгорания применяются следующие основные методы: аналитический, графический, численный и метод экспериментальных аналогий (моделей).
Формальный аналитический метод требует получения математического решения для температуры как функции координат. Решение должно удовлетворять определённому дифференциальному уравнению, из которого оно получено, и определённым начальным и граничным условиям, налагаемым самой конкретной задачей. Для многих практических задач точные решения получить либо чрезвычайно трудно, либо вовсе невозможно, кроме того степень точности при вычислении температурного поля, необходимая для практических целей, часто не оправдывает затрат, связанных с детальным аналитическим исследованием [1 2 J .
Графические методы основаны на свойствах дифференциальных уравнений и численных принципах и имеют то преимущество, что быстро дают первое приближение к действительному распределению температур [105] . Однако графическое решение становится неоправданно трудоёмким в тех случаях, когда температуры тела на границах неизвестны.
Численный метод основан на замене дифференциального уравнения теплопроводности и граничных условий конечно-разностными уравнениями, приводящими к системе линейных алгебраических уравнений, относительно неизвестных дискретных значений искомых функций в узлах сетки, аппроксимирующей заданную область. Данный метод получил название метода конечных разностей (МКР) и широко применяется в двигателеетроении с использованием ЭВМ [26 J . Одним из недостатков метода является необходимость составления практически новых программ расчёта при значительном изменении геометрических форм деталей и условий теплообмена [47] .
Значительное распространение получил метод экспериментальных аналогий, использующих аналогию дифференциальных уравнений, описывающих распространение теплоты и распределение потенциалов в электропроводящей среде - метод электротепловой аналогии (ЭТА). Однако создание электрической модели детали, состоящей из ряда элементов, имеющих различную теплопроводность со сложными условиями теплообмена, сопряжено с существенными трудностями. При многовариантных сравнительных исследованиях для каждого варианта необходимо изготавливать свои модели, что делает исследование температурного поля таким способом неоправданно сложным.
В настоящем исследовании для определения температурного поля распылителей принят численный метод вариационного исчисления - метод конечных элементов (МКЭ), получивший в последнее время широкое распространение в технике [80,I03j . Выбор метода обусловлен следующими соображениями: - распылитель, представляющий собой фигуру с сложными криволинейными границами, может быть с достаточной степенью -точности аппроксимирован набором дискретных элементов, причём, размеры элементов, при необходимости, могут быть переменными; - свойства материалов смежных элементов могут быть различны, что позволяет исследовать температурное состояние распылителей из композиционных материалов; - МКЭ не накладывает ограничений на способ задания граничных условий; - наличием быстродействующей ЭВМ с достаточной оперативной памятью.
Температурное поле распылителя рассматривается в двухмерном пространстве при квазистационарном процессе теплообмена. Для осесимметричных тел вращения дифференциальное уравнение теплопроводности имеет вид при естественных граничных условиях
Методика экспериментальных исследований температурного режима распылителей и показателей дизелей 2Т7,8/7,8 и 6ДН при различных условиях работы и применении различных сортов топлив
Методика экспериментальных исследований температур-ного режима распылителей и показателей дизелей 24 2 и 6ДН при различных условиях работы и применении различных сортов топлив
Экспериментальное определение температурного режима распылителя КСФ в условиях быстроходного форсированного дизеля имеет свои особенности, вызванные высокими значениями максимального давления сгорания 10...12 МПа, и скорости нарастания давления (до 0,8 МПа/град) с одной стороны и малыми геометрическими размерами распылителя 5...7мм с другой стороны.
Для термометрирования подбиралось несколько гидравлически единообразных форсунок, предварительно проверенных на двигателе, каждая из которых препарировалась тремя хромель-алю-мелевыми термопарами, заделанными в тело распылителя в трех сечениях по его длине/рис. 24 . Диаметр проволоки термоэлектродов составлял 0,2мм, а диаметр спая 0,5...О,8мм. Для термоэлектродов применялась проволока, покрытая пленкой фторопласта. Дополнительно каждый термоэлектрод изолировался кварцевой нитью и пропитывался клеем Ш-2. Контакт горячего спая с корпусом распылителя обеспечивался конденсаторной сваркой. Так как расчётные исследования показали, что градиент температуры в осевом направлении может достигать 18 град/мм, то особое внимание уделялось точности установки спаев в осевом направлении, которая была обеспечена -0,25 мм. Как показали исследования выполнение пазов в теле распылителя для уклад ки термоэлектродных проводов с последующей заливкой их термостойкости обмазками по типу [59J не обеспечивает требуемой долговечности в условиях работы дизеля, хотя при работе на специальной установке такое уплотнение работало удовлетворительно. Поэтому термоэлектродные провода, предварительно смоченные клеем К-300, укладывались в специальные каналы, выполненные электроискровым способом в теле распылителя; после высыхания клея спай закрывался фольгой толщиной 0,2мм, которая приваривалась к телу распылителя по контуру конденсаторной сваркой. Расстояние спая термопары в зоне носка от тепло-воспринимающей поверхности составляло 0,2...О,7мм. Препарированные таким образом форсунки поочередно устанавливались на дизель, где показания их термопар проверялись на ражиме максимальной мощности. Для исследований использовались те форсунки, показания температур которых отличались друг от друга не более чем на ЮС. Как показал опыт, препарированные таким образом форсунки обеспечивают стабильное измерение температуры в течение 15...20 часов работы дизеля на режиме максимальной мощности, после чего требуется перезаделка термопар.
Термометрирование носка охлаждаемого распылителя производилось аналогичным способом, но при этом для исключения соприкосновения термопары с охлаждающим топливом канал в теле распылителя выполнялся специальным электродом эллипсооб-разной формы, а термоэлектродные провода укладывались параллельно друг другу, что позволило уменьшить толщину жгута до 0,5мм.
Измерение количества теплоты, уносимой охлаждающим топливом в охлаждаемом распылителе, производилось путем измерения расхода охлаждающего топлива и разности температур на входе и выходе из каналов распылителя и форсунки, выводы которых герметизировались клеем К-300. Расход охлаждающего топлива измерялся массовым способом. Размеры каналов не позволяют расположить в них многоспайные термопары и, поэтому, точность измерения абсолютной величины количества теплоты таким способом невысока, однако для определения характера изменения количества теплоты и его максимумов в зависимости от различных факторов способ вполне приемлем.
В случае нанесения покрытия, существенно уменьшающего диаметр распылителя, обычное термометрирование практически невозможно, поэтому для экспериментального определения температуры использовались: метод облученных кристаллов и металлографический метод.
Метод облученных кристаллов основан на том, что при бомбардировке кристаллов алмаза или карбида кремния нейтронами происходит изменение параметров кристаллической решётки. При нагревании кристалла происходит постепенное восстановление параметров решётки в широком диапазоне температур и времени воздействия. Измерение параметров решётки производится ренгенографическим методом.
Исследование показателей рабочего процесса дизелей на различных сортах топлив
При практической реализации многотопливности ограничиваются, как правило, такими конструктивными решениями, которые обеспечивают удовлетворительный пуск, приемлемое снижение мощности по отношению к мощности, развиваемой на дизельном топливе и приемлемую наработку. При этом имеется ввиду эпизодическое применение легких сортов топлив, являющихся резервными, общая наработка на которых может составлять только определённую часть моторесурса дизеля [і4,52І . Такое решение задачи многотопливности является компромиссным, и, по существу, единственно приемлемым для практики. Тешюнапря-жённость и особенности закокоовывания распылителя на легких сортах топлив при таком решении многотопливности будут определяться не только физико-химическими свойствами каждого сорта топлива, но и количественными характеристиками параметров топливоподачи и рабочего процесса, которые достигнуты для этих сортов топлив.
На рис. 31, 32 показано изменение некоторых показате лей рабочего процесса дизелей 6ДН и 2ЧА& на различных топ 7,8 ливах при частоте вращения, соответствующей режиму максимальной мощности, при принятых для этих топлив регулировках рей ни топливных насосов. Из приведенных данных следует, что применение топлива TC-I приводит к снижению / на 0,2...0,6 МПа, снижению tz на 30...50С и уменьшению гу о на 2...4 МПа соответственно для дизелей 24- 2 и 6ДН. Максимальная скорость нарастания давления в цилиндре Р /cLdi при работе на TC-I не отличается от таковой при работе на дизельном топливе. Конечная фаза осциллограммы впрыскивания, характеризующая проникновение цилиндровых газов в распылитель, практически не отличается от таковой для дизельного топлива.
Применение бензина А-76 приводит к снижению р% на 0,5...1,2 МПа, снижению Ьг на 60...30С и уменьшению Рбпр 7 Я на 5,0...16 МПа соответственно для дизелей 24- 2 и 6ДН. Ко 7.8 нечная фаза осциллограммы впрыскивания (рис. 34) так же не шлеет существенных отличий от конечной фазы осциллограммы впрыскивания на дизельном топливе. Продолжительность процесса впрыскивания на бензине на 1,5...2 больше, чем продолжительность на дизельном топливе, что происходит, в основном, за счёт более "вялого" начала процесса подачи на бензине. Максимальная скорость нарастания давления в цилиндре при работе на бензине на режиме максимальной мощности на 0,03...0,05 МПа/град больше, чем при работе на дизельном топливе, причем эта разность увеличивается при снижении нагрузки, достигая максимального значения 0,1...0,12 МПа/град на холостом ходу. В таблице 3 приведены некоторые температурные и динамические показатели цикла на режиме максимальной мощности, полученные в результате обработки индикаторных диаграмм, снятых при применении различных сортов топлива.
Таким образом из анализа данных, приведенных на рис. 31,32 и в таблице 3 следует, что при компромиссном решении задачи многотопливности, с одной стороны, процесс впрыскивания при работе на легких сортах топлив протекает при существенно меньших давлениях, что как и различие физико-химических свойств топлив, при прочих равных условиях, способствует большей склонности к образованию отложений. С другой стороны максимальный температурный режим распылителя будет достигаться при работе на дизельном топливе, так как на легких сортах топлив параметры рабочего процесса, влияющие на коэффициент теплоотдачи от цилиндровых газов к распылителю, несколько ниже, чем на дизельном топливе. Отсюда можно сделать вывод о том, что при экспериментальном изучении температурного режима распылителя в зависимости от различных условий можно ограничиться, в основном, работой на дизельном топливе.
Похожие диссертации на Снижение теплонапряженности и закоксовывания распылителей клапанно-сопловых форсунок быстроходных форсированных дизелей
