Рис. 6. Зависимость параметров процесса впрыска от цикловой подачи при частоте вращения 1100 мин-1:
- -? - -?- - серийные форсунки ФД-22; -Д-Д- - экспериментальные форсунки; 1 - ход иглы и шарикового клапана распылителей; 2 - продолжительность впрыска
Из графика следует, что продолжительность впрыска серийных и экспериментальных форсунок практически одинаковая и увеличивается от 1,0 до 3,2·10-3с. Малая величина хода клапана 0,13 мм при цикловой подаче 80 мм3/цикл, объясняется незначительным дросселированием топлива по сопряжению клапан - седло. Так, при открытии клапана на 0,09 мм проходное сечение между седлом и клапаном становится равным эффективному проходному сечению сопловых отверстий распылителя.
Сравнительные стендовые износные испытания экспериментальных и серийных форсунок ФД-22 установили превышение износостойкости экспериментальных распылителей, работающих на форсунках ФД-22, более чем в два раза в сравнении с серийными распылителями. Это объясняется отсутствием в экспериментальных распылителях прецизионной направляющей поверхности клапана распылителя и большой массы подвижных деталей клапанного узла (иглы, штанги и 1/3 массы пружины), вызывающего в распылителях серийных форсунок большую ударную нагрузку на запорный конус распылителя, гидроабразивное и кавитационное изнашивание прецизионной направляющей поверхностей иглы и корпуса распылителя (рис. 7).
Рис. 7. Графики снижения гидравлической плотности экспериментальных и серийных распылителей форсунок в зависимости от времени работы при стендовых ускоренных сравнительных износных испытаниях
Ускоренные стендовые сравнительные износные испытания проводились в трехкратной повторности. В результате экспериментальная погрешность в определении гидравлической плотности на участке приработки составляет 6,11%, коэффициент вариации - 0,0312. Погрешность формулы (5) на участке приработки при определении гидравлической плотности форсунок с беспрецизионным клапанным узлом составляет 8,64%.
Погрешность в определении гидравлической плотности на участке нормальной работы форсунки составляет 4,73%, коэффициент вариации - 0,0242. Погрешность формулы (8) на участке нормальной работы при определении гидравлической плотности форсунок с беспрецизионным клапанным узлом составляет 0,69%.
При обработке экспериментальных данных определили значение коэффициентов и и у-1, входящих в зависимость (5), для определения изменения гидравлической плотности от времени наработки распылителя форсунки.
Коэффициент и, учитывающий линию контакта и радиальный зазор между клапаном и седлом форсунки, равен 4,2·1010 м-1, при этом коэффициент вариации составил 0,075.
Для описания изменения напряжения выносливости материала от ударов клапана по седлу распылителя у-1 от времени наработки форсунки была использована зависимость
, (10)
где ж, у и з - экспериментально определяемые коэффициенты.
С учётом полученных значений у-1 были получены следующие значения коэффициентов: ж = 0,307692, у = 0,044119 и з = 0,001. Погрешность в определении у-1 равна 1,17%.
При установке экспериментальных форсунок ФД-22 на двигатель Д-240 были сняты мощностные и экономические показатели дизеля по внешней регуляторной характеристике, полностью аналогичные характеристикам работы дизеля со штатными форсунками. Это обстоятельство объясняется идентичностью характеристики впрыска опытных и серийных форсунок, которая главным образом определяется величиной проходного сечения распыливающих отверстий, и тщательной регулировкой системы питания перед постановкой на дизель.
В пятой главе диссертационной работы проведен анализ экономического эффекта от внедрения форсунок данного типа для сельскохозяйственного предприятия. Расчеты показывают, что затраты от переоборудования форсунок ФД-22 беспрецизионным клапанным узлом при увеличении ресурса распылителей в два раза окупаются за 0,96 года. Годовая экономия для парка из 20 тракторов типа МТЗ 80/82 составляет 576 рублей.
Общие выводы
форсунка распылитель топливо клапанный
1. В результате анализа имеющихся научных работ установлено:
– долговечность форсунок определяется ресурсом распылителя;
– основными местами локального износа распылителя форсунок закрытого типа, определяющими его ресурс, являются цилиндрическая направляющая поверхность и запорный конус иглы и корпуса распылителя;
– существуют форсунки клапанного типа, в которых используется беспрецизионные сферические клапаны, открывающиеся по потоку топлива, и у которых масса подвижных деталей значительно меньше, чем у форсунок закрытого типа. Однако данный вид форсунок не получил широкого распространения вследствие несовершенной конструкции и малых исследований как по показателям надежности, так и по параметрам процесса топливоподачи.
2. Предложена конструкция форсунки закрытого типа, в распылителе которой в качестве запорного узла используется беспрецизионный сферический клапан, открывающийся по потоку топлива.
3. Разработана математическая модель оценки изменения ресурса форсунок, учитывающая конструктивные и регулировочные параметры, материал деталей клапанного узла распылителей. Установлено, что распылители форсунок ФД-22 при применении шарикового запорного клапана имеют в два раза больший ресурс, чем серийные распылители с прецизионным клапаном - иглой.
4. Обоснованы рациональные параметры экспериментальных форсунок, обеспечивающие необходимые показатели характеристики топливоподачи и качество распыливания топлива: величина предварительного натяжения пружины клапана Fпр.ш = 30-40 Н, при жесткости пружины упр = 55-65 Н/м и массе клапана Мкл = 0,13 г.
Продолжительность впрыска топливным насосом УТН-5 с данными параметрами экспериментальной форсунки составила 12,5° поворота вала насоса при нарастании давления в полости распылителя 8,1 МПа за один градус поворота вала насоса. Приведенные показатели получены на частоте вращения вала топливного насоса 1100 мин -1 и цикловой подаче, равной 69 мм3, что соответствует показателям характеристики топливоподачи с серийными форсунками.
6. Определены показатели работы дизеля с усовершенствованными форсунками по внешней регуляторной характеристике. Номинальный эффективный расход топлива двигателем Д-240 при работе на экспериментальных форсунках составил 258 г./кВт·ч, что соответствует значениям расхода топлива при работе на штатной топливной аппаратуре и данным, заявленным в паспорте двигателя.
7. Сравнительные износные испытания показали, что долговечность предложенной конструкции распылителя превышает долговечность форсунок с серийными распылителями более чем в два раза.
8. Затраты от переоборудования форсунок ФД-22 беспрецизионным клапанным узлом при увеличении ресурса распылителей в два раза окупаются за 0,96 года.
Рекомендации производству
Форсунки с беспрецизионным клапанным узлом, открывающимся по потоку топлива, рекомендуются для применения как при изготовлении новых дизельных двигателей, так и при их ремонте в хозяйствах.
В условиях эксплуатации рекомендуются следующие параметры: предварительное натяжение пружины клапана 30-40 Н при жесткости пружины 55-65 Н/м, диаметр сферического клапана 1,588 мм, ход клапана 0,13 мм, давление впрыска 14,0+5 МПа.
Основные публикации по теме диссертации
1. Ковалев Л.Г. Перспективы применения клапанно-сопловых форсунок в автотракторных дизелях / Л.Г. Ковалев, Т.Ю. Гурин // Совершенствование технологий, машин и оборудования в АПК: сб. науч. тр. - Омск: Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2006. - 324 с.: ил.
2. Ковалев Л.Г. Моторные испытания клапанно-сопловой форсунки / Л.Г. Ковалев, Т.Ю. Гурин // Совершенствование технологий, машин и оборудования в АПК: сб. науч. тр. - Омск: Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2006. - 324 с.: ил.
3. Ковалев Л.Г. Сравнительные исследования эксплуатационных показателей форсунок закрытого и клапанного типа автотракторных дизелей / Л.Г. Ковалев, С.Б. Спиридонов, Т.Ю. Гурин // Материалы Международного научно-технического форума «Реализация Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия: инновации, проблемы, перспективы» (26-27 февр. 2009 г.) / М-во сел. хоз-ва Рос. Федерации, ФГОУ ВПО «Ом. гос. аграр. ун-т». - Омск, 2009. - Ч. 1. - С. 319-321.
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. - №2006121505/22; заявл. 16.06.2006; опубл. 10.01.07, Бюл. №1. - 2 с.: ил.
5. Пат. №73404 U1 Российская Федерация, МПК7 F02M 61/20. Форсунка для впрыска топлива / Л.Г. Ковалев, Т.Ю. Гурин; заявитель и патентообладатель Федер. гос. образоват. учреждение высш. профессион. образования «Ом. гос. аграр. ун-т». - №2008100510/22; заявл. 09.01.2008; опубл. 20.05.2008, Бюл. №14. - 2 с.: ил.
6. Пат. №77359 U1 Российская Федерация, МПК7 F02M 61/08. Форсунка для двигателя внутреннего сгорания / Л.Г. Ковалев, Т.Ю. Гурин, С.Б. Спиридонов; заявитель и патентообладатель Федер. гос. образоват. учреждение высш. профессион. образования «Ом. гос. аграр. ун-т». - №2008114451/22; заявл. 14.04.2008; опубл. 20.10.2008, Бюл. №29. - 2 с.: ил.