2462

При диаметре цилиндра 0,26 м (двигатель 16ЧН 26/26), расстоянии 0,12 м от распылителя до стенки камеры (см. рис. 2.33) оптимальное время задержки воспламенения будет равно 0,0015 с. Время задержки самовоспламенения и время перемещения топливного факела от распылителя до стенки КС будут равны друг другу. При неисправности ТА (снижение давления, образование кокса в сопловых отверстиях) изменяется дальнобойность топливного факела и ухудшается процесс сгорания.

Контрольные вопросы и задания

1.Какого назначение сопловых отверстий распылителя форсунки?

2.Что называют мелкостью (дисперсностью) распыливания топлива?

3.Что представляет собой средний диаметр капель распыленного топлива по Заутеру?

4.Что называют дальнобойностью факела?

5.Дайте определение периоду задержки самовоспламенения.

6.От каких факторов зависит период задержки самовоспламенения?

7.Поясните, как должны быть связаны между собой период задержки самовоспламенения топлива и дальнобойность факела распыленного топлива.

2.4.Расчет контактных напряжений в посадочных конусах распылителей автомобильных и тепловозных дизелей

Распылитель является главным узлом форсунки, от конструкции и состояния которого зависят расход топлива, токсичность отработавших газов, жесткость протекания рабочего процесса дизеля, его надежность и долговечность. На рис. 2.36, а показан общий вид форсунки (начальная конструкция) двигателей Ярославского моторного завода дизеля типа ЯМЗ-236.

Распылитель форсунки имеет четыре сопловых отверстия 1 диаметром 0,34 мм, иглу 2 с диаметром направляющей 6,0 мм. Масса иглы 2 – 9 г, штока (штанги) – 6 – 15 г, пружины – 8 –17 г. Примерно 30% массы пружины относят к поступательно-движущимся массам (5 г). Общая масса подвижных частей форсунки ЯМЗ составила Мп1 = 29 г.

Максимальный подъем иглы распылителя до упора лежит в пределах 0,25 – 0,35 мм, диаметральный зазор между иглой и направляющей 2 – 4 мкм. Давление начала подъема иглы Рфо равно 16 – 20 МПа, оно регулируют винтом 9, изменяя усилие цилиндрической пружины 8.

141

Из анализа работы [14] следует, что увеличение массы штанги с 5 до 20 г сила удара иглы о седло (посадочный конус) у форсунки дизеля ЯМЗ-236 (при давлении начала открытия иглы Рфо =16,5 МПа) возросла со 100 до 160 Н.

1 – сопловые отверстия; 2 – игла; 3 – корпус распылителя; 4 – гайка распылителя; 5 – корпус; 6 – шток;

7 – опорная шайба; 8 – пружина; 9 – регулировочный винт; 10 – контргайка; 11 – колпак; 12 – сетчатый фильтр; 13 – уплотнитель; 14 – штуцер;

15 – канал.

Форсунка с короткой штангой (б):

1 – корпус распылителя; 2 – гайка распылителя; 3 – «проставка»; 4 – установочный штифт; 5 – штанга; 6 – корпус форсунки;

7 – кольцо уплотнительное; 8 – штуцер; 9 – сетчатый фильтр; 10 – прокладка уплотнительная; 11 – регулировочные прокладки;

12 – пружина; 13 − игла

Для уменьшения сил инерции от движущихся масс у форсунок дизеля КамАЗ-740 штангу 5 выполнили меньшей длины (рис. 2.36, б), ее масса снизилась до 2,4 г. Диаметр иглы 13 был уменьшен с 6 до 5 мм, её масса составила 7 г. Снижена и масса пружины 12 до 12 г. Общая масса подвижных частей форсунки дизеля КамАЗ составила Мп2 = 13,4 г. Снижение массы подвижных деталей форсунки в 2,16 раза (при сравнении с форсункой ЯМЗ) значительно уменьшит контактные напряжения

142

в посадочном конусе корпуса распылителя, увеличит его надежность и долговечность.

Требуемая плотность распылителей в запорном конусе достигается за счет небольшой разности конусов иглы (60о) и седла корпуса распылителя (59о). Посадочный поясок желательно располагать вблизи основания конусов, а первоначальная ширина его не должна превышать 0,1 – 0,2 мм. В период длительной эксплуатации от постоянных ударных нагрузок происходит деформация запорного конуса (наклеп, сжатие, сдвиг металла). Ширина кольца контакта конуса иглы с конусом корпуса распылителя увеличивается, её допустимое значение не должно быть более 0,4 мм [18].

Уравнение движения иглы с гидромеханическим управлением распылителя форсунки имеет вид

где Мп – масса подвижных частей форсунки (иглы, штанги, части пружины); кг; а – ускорение иглы, м/с2; Рфо – давление в момент начала открытия иглы, Па; Sд – дифференциальная площадка иглы, м2; См – жёсткость механической пружины, Н/мм; у – перемещение иглы, м; Fтр – сила трения между поверхностью иглы и корпусом распылителя, Н; Рф – текущее давление топлива в полости распылителя, Па; Sи – площадь поперечного сечения иглы, м2; Рц – давление газов в цилиндре дизеля перед сопловыми отверстиями, Па; Sи1 – площадь поперечного сечения иглы по внутреннему диаметру посадочного конуса, м2.

При полной посадке иглы на седло её начальный ход равен нулю, поэтому См∙Δу = 0. Ввиду малости величины Fтр её значением пренебрегаем.

Определим силы инерции от поступательных масс при посадке иглы на седло (посадочный, запорный конус) для масс Мп1 = 29 г (ЯМЗ) и

Мп2 = 13,4 г (КамАЗ).

Рассмотрим осциллограмму [43] хода иглы (рис. 2.37) для двигателя 8ЧН 12/12 (КамАЗ-740), работающего при частоте вращения вала двигателя 1900 мин -1 (насоса 950 мин-1) с цикловой подачей 100 мм3. Максимальный ход иглы у = 0,3 мм, давление начала открытия иглы форсунки 20 МПа, продолжительность впрыска топлива φ =12о.

Из анализа осциллограммы можно отметить три характерных участка: 1 − подъем иглы (начало впрыска топлива, точка 0о); 2 − достижение упора (поверхности корпуса форсунки или «проставки»);

3 − посадка иглы на седло (конец впрыска топлива, точка 12о).

143

Рис. 2.37. Осциллограмма движения иглы

Конечная фаза подачи топлива продолжается на 2о (см. рис. 2.37) поворота вала насоса. Определим ее продолжительность в с. Основную часть участка посадки иглы на седло принимаем прямолинейной. При увеличении давления впрыска топлива участки подъема и посадки иглы могут быть менее 1о. Осциллограмма перемещения иглы принимает П-образную форму (резкий подъем и резкая посадка иглы).

Время впрыска t (с), продолжительность впрыска на участке посадки иглы (град) и частота вращения вала насоса в минуту n связа-

Для форсунки ЯМЗ с Мп1 = 29 г (29∙10-3 кг) величина Fин = 71 Н, а для форсунки КамАЗ с Мп2 = 13,4 г значение Fип = 32,8 Н.

При жёсткости пружины 12, равной 210 Н/мм (см. рис. 2.36, б), и ее предварительном сжатии при помощи регулировочных прокладок 11 на 2 мм ее сила Fп будет равна 420 Н. При диаметре иглы 6 мм и внешнем диаметре посадочного конуса 3 мм дифференциальная площадка Sд, на которую действует давление топлива, будет равна 21 мм2 или

144

21·10-6 м2. Величина Sд определяется как разность площадей (π·d2 /4) для диаметра иглы 6 мм и конуса 3 мм.

При данных конструктивных параметрах форсунки сила сжатой пружины будет равна

Для повышения Рфо увеличивают величину Fпр, изменяют толщину прокладок 11 (см. рис. 2.36, б) или уменьшают Sд путем применения иглы распылителя диаметром не 6 мм, а 5 мм. Из анализа уравнения (2.46) следует, что сила, действующая на иглу со стороны пружины, равна 420 Н для Рфо = 20 МПа.

При посадке иглы на седло она встречает сопротивление топлива в корпусе распылителя, находящегося под давлением Рф. При посадке игла выталкивает, «выжимает» часть топлива из полости форсунки [44]. Давление при посадке иглы на седло Ркп меньше давления начала подъема иглы Рфо и в первом приближении для систем подачи топлива с малым остаточным давлением может быть определено из выражения

В нашем примере Ркп = 0,3 Рфо = 0,3 ∙ 20 = 6,0 МПа. Сила сопротивления, действующая на иглу диаметром d от давления топлива в момент ее конца посадки на седло, будет равна

Для систем подачи топлива с высоким остаточным давлением Рост (более 5 МПа) величину Ркп можно принять равной величине Рост.

В процессе работы дизеля в его цилиндры подается и сгорает топливо, что приводит к повышению давления и температуре газов. Впрыск топлива форсункой происходит в среду с противодавлением. Начало подачи топлива происходит в сжатый воздух, а конечная фаза впрыскивания завершается при сгорании топлива. Температура газов в цилиндре достигает 2200 К, а максимальное давление – до 10 МПа и выше. Чтобы газы с высокой температурой не прорывались в полость распылителя и не способствовали образованию кокса в сопловых отверстиях, необходимо, чтобы в конце посадки иглы на седло (запорный конус) сила на иглу Fкп превышала силу со стороны давления газов.

Определим силу, действующую на иглу от давления цилиндровых газов Рц = 10 МПа при площади Sи1 = 4,15 мм2 (dи1 =2,3 мм, внешний диаметр посадочного пояска конуса иглы):

145

Суммарная сила, действующая на иглу в момент ее посадки на

Из выражения (2.50) следует, что для форсунки дизеля ЯМЗ величина Fс = 279,5 Н, а для дизеля КамАЗ-740 – 241,3 Н (диаметр иглы 6 мм).

У современных дизелей КамАЗ-740 диаметр иглы распылителя равен 5 мм. При диаметре иглы 5 мм и внешнем диаметре посадочного конуса 3 мм дифференциальная площадка Sд, на которую действует давление топлива, будет равна 12,6 мм2 или 12,6·10-6 м2. Для Рфо = 20 МПа [см. уравнение (2.46)] величина Fпр = 252 Н. Снижение Fпр при уменьшении диаметра направляющей иглы позволит уменьшить контактные напряжения в посадочном конусе или при необходимости увеличить Рфо, что позволит повысить давления перед сопловыми отверстиями и улучшить процесс распыливания топлива.

Для уплотняющей опорной поверхности конуса иглы шириной пояска 0,2 мм (диаметр верхней запорной кромки уплотняющего пояска равен 2,6 мм, нижней – 2,3 мм) и величиной Sуп =1,9 мм2 (1,9∙10-6 м2) контактные напряжения в запорном конусе корпуса распылителя будут равны

равна 147 МПа, а для форсунки КамАЗ – 127 МПа (диаметр иглы 6 мм). Контактные напряжения в запорном конусе у форсунки КамАЗ меньше в 1,16 раза, чем у форсунки ЯМЗ. По значению величины σк выполняют расчёт запорного конуса на прочность, оценивают его надежность.

При переходе на диаметр иглы 5 мм для форсунки КамАЗ величи-

на σк = 49,5 МПа [Fс = 32,8+ +252 – (170 +41,5) = 73,3 Н]. Контактные напряжения в посадочном конусе распылителя форсунки КамАЗ с диаметром иглы 5 мм в 1,7 раза меньше, чем при работе с распылителем при диаметре иглы 6 мм, что уменьшит его деформацию, повысит надежность и долговечность в процессе длительной эксплуатации.

Материалом иглы и корпуса распылителя может быть сталь ШХ15 или ХВГ [27]. Сталь ШХ-15 шарикоподшипниковая, содержит никеля 15%, хрома 1,5%, кремния 1,5%, углерода 1%, железа 73%. После термообработки ее твердость HRC должна быть не менее 60 – 63. Предел прочности при сжатии стали ШХ-15 больше 1000 МПа, временное сопротивление разрыву – 2300 МПа, предел текучести –1700 МПа.

146

У тепловозных дизелей по сравнению с автотракторными двигателями форсунки (см. рис. 2.9) имеют другие конструктивные параметры.

Сопло распылителя форсунки тепловозного дизеля 16ЧН 26/26 съемное, диаметр сопловых отверстий 0,35 – 0,4 мм, число отверстий 9. Диаметр иглы в цилиндрической части 8 мм, длина уплотняющей части иглы 26 мм, диаметр в конусной части 6 мм, площадь пояска в уплотняющей части запорного конуса Sуп = 4,0 мм2 (при ширине пояска 0,2 мм), ход иглы до ограничителя 0,75 мм.

На рис. 2.38 показан запорный конус распылителя форсунки тепловозного дизеля 16ЧН 26/26. Уплотняющий поясок возникает в процессе притирки конической части иглы с посадочным конусом корпуса распылителя в зоне перехода одной конической поверхности иглы в другую.

Рис. 2.38. Запорный конус иглы распылителя

Продолжительность открытия иглы форсунки (подачи топлива) на режиме номинальной мощности зависит от частоты вращения вала насоса (500 мин-1, 16ЧН 26/26), цикловой подачи дизельного топлива (1500 мм3), мощности (2944 кВт) [45], эффективного проходного сечения распылителя (0,86 мм2), давления начала открытия иглы (34 МПа) и максимального давления топлива в системе (более 100 МПа). Расчетные и экспериментальные исследования показывают, что продолжительность подачи топлива для указанного двигателя может достигать 16 – 18о поворота вала насоса. Продолжительность закрытия иглы (от упора до посадки) равна 2 – 3о.

147

Согласно уравнению (2.42) время посадки иглы форсунки на седло для двигателя 16ЧН 26/26 будет равно

При максимальном ходе иглы 0,75 мм с учетом уравнений (2.43) и (2.44) скорость при посадке иглы и её ускорение равны; ϑ = 0,9 м/с; а = 1084 м/с2. Движущиеся массы деталей форсунки (игла, штанга и 30% массы пружины) равны примерно Мп3 = 30 г. Величину силы инерции подвижных деталей форсунки Fин в момент ее посадки на седло

определим из уравнения (2.45), она будет равна 325 Н.

Силу, действующую на иглу со стороны пружины, определим по формуле

Величина Sд определена как разность площадей, которые определены для диаметра иглы 8 мм и диаметра в конусной части 6 мм. Следует отметить, что при уменьшении диаметра иглы с 8 до 7,5 мм величина Fпр уменьшится с 748 до 350 МПа при неизменном Рфо = 34 МПа. Уменьшение Fпр приведет к снижению контактных напряжений в запорном (посадочном) конусе.

Применение иглы с меньшим диаметром [20] способствует увеличению Рфо и давлению, при котором игла завершает посадку на седло, что снижает возможность прорыва газов из цилиндра в полость распылителя и образование кокса в сопловых отверстиях.

Давление в конце посадки иглы на седло Ркп меньше давления начала подъема иглы Рфо и в первом приближении может быть определено из выражения (2.47).

Оно составит Ркп = 0,3 Рфо = 0,3 ∙34 = 10,2 МПа. Сила, тормозящая иглу диаметром d и давлением топлива в момент конца посадки на седло, будет равна

Определим силу, действующую на иглу от давления цилиндровых газов Рц = 10 МПа при площади Sи1 =19,6 мм2 (dи1 =5 мм, внешний диаметр посадочного пояска конуса иглы):

Суммарная сила, действующая на иглу в момент ее посадки на седло (уплотняющий конус), будет равна

Fс = Fин + Fпр. – (Fкп + Fц) = 325 +748 – (512+196) = 365 Н. (2.56)

148

Для уплотняющей поверхности Sуп = 4 мм2 (ширина уплотняющего пояска 0,2 мм, его диаметры 5,2 и 5,0 мм) контактные напряжения в запорном конусе от силы Fс определим из выражения (2.50), и они составят 91,2 МПа. При переходе на диаметр илы 7,5 мм (Sд = 15,9 мм2; Fп =540 Н) контактные напряжения в запорном конусе составят 39,25 МПа, т.е. уменьшились в 2,3 раза.

Рассмотрим особенности конструкции форсунки (см. рис. 1.30 и 1.33) и распылителя (рис. 2.39) с электрогидравлическим управлением иглы типа Common Rail (общий путь) [46]. Определим расчетным путем давление в запорном конусе в момент посадки иглы на седло.

Результаты замера деталей форсунки показали, что диаметр иглы равен 4 мм, её масса без хвостовика 3,3 г, опорная боковая поверхность посадочного конуса иглы равна 7 мм2 (рис. 2.39). Диаметр управляющего поршня 10 (см. рис. 1.33) равен 4,3 мм, его масса вместе со штоком, который передает усилие на иглу 8, – 7,5 г. Масса пружины якоря 11 равна 0,64 г. Общая масса подвижных деталей Мп4 = 11 г. Для сравнения отметим, что масса подвижных деталей у форсунки КамАЗ с механическим управлением Мп2 = 13,4 г.

На рис. 2.39 показан корпус распылителя и игла форсунки типа

Common Rail.

Рис. 2.39. Распылителль в разобранном виде форсунки с электрогидравлическим управлением типа Common Rail

149

Распылители данной конструкции применяются в форсунках дизелей КамАЗ-740 с частотой вращения коленчатого вала 1900 мин-1 (950 циклов в мин). Анализ осциллограмм перемещения иглы данного двигателя показал, что ее подъем и посадка завершаются примерно за 0,8о. С учетом уравнения (2.42) величина времени посадки иглы на седло t = 0,00014 с (14 ∙10-5 с). При максимальном ходе иглы 0,2 мм с учетом уравнений (2.43) и (2.44) скорость движения иглы будет равна 1,43 м/с, а ускорение – 10 214 м/с2.

Сила инерции от подвижных масс Мп4 форсунки определяется выражением

Площадь поперечного сечения иглы 8 диаметром 4 мм равна 12,6 мм2, а управляющего поршня 5 диаметром 4,3 мм – 14,5 мм2 (см. рис. 1.30). На рис. 1.33 игла распылителя указана под номером 2, а управляющий поршень – 10. При одинаковом давлении в камере управления 13 и под иглой 8, (например, 150 МПа), но в результате разницы площади поршня и иглы (1,9 мм2) сила со стороны управляющего поршня 5 будет больше на 285 Н, чем со стороны иглы 8 и она начнет движение, закрывая запорный конус. Если давление топлива над поршнем управления 5 снизить до 130 МПа (путем его слива через отверстие 4), то силы, действующие на поршень сверху и на иглу снизу, будут равны друг другу (уравновешены).

При подаче управляющего напряжения (12 В) на обмотку электромагнита 1 якорь 3, преодолевая силу пружины 2, совершает движение, открывая отсечное калиброванное отверстие 4 (см. рис. 1.30). Давление в камере управления 13 мгновенно снижается, сила со стороны иглы 8 будет больше силы со стороны поршня управления 5, и игла начнет движение вверх. Под действием высокого давления в аккумуляторе 12 топливо поступает к отверстиям 9 для распыливания и через них подается в камеру сгорания двигателя.

После окончания впрыска топлива давление цилиндровых газов Рц (например, равное 10 МПа) через отверстия распыливания 9 действует на площадь поперечного сечения иглы ниже запирающего конуса (Sи1 = 0,78 мм2).

Сила, действующая на иглу со стороны давления цилиндровых газов,

Fц= Рц ·Sи1 =10 ∙106 · 0,78 ∙10-6 = 7,8 Н. (2.58)

Суммарная сила, действующая на иглу в момент ее посадки на седло (запорный конус), равна силе инерции от поступательных масс (112 Н) плюс усилие со стороны поршня управления (255 Н) минус усилия на иглу со стороны давления цилиндровых газов (7,8 Н), т.е. равна

359,2 Н.

150