Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

УДК 621.436.038

РАСЧЁТ И РЕГУЛИРОВАНИЕ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ ТИПА 8ЧН26/26

Л.Ю. Волкова, кандидат технических наук, доцент,

кафедра «Судовые энергетические установки и теплоэнергетика»

Калининградский государственный технический университет, Россия.

Аннотация. Приведена методика регулировкинасоса высокого давления тепловозного дизеля 8ЧН 26/26 на стенде. Предложена методика и определены основные размеры плунжерной пары насоса высокого давления дизеля 8ЧН 26/26. Рассмотрена конструкция электромагнитного клапана и принцип его работы в секции насоса высокого давления, приведены основные расчетные формулы.Дана методика расчета распылителя форсунки для различных цикловых подач топлива.

Для цикловой подачи топлива 1300 мм3 определены эффективное проходное сечение распылителя, диаметр и число сопловых отверстий. Предложены стенды, дана методика

регулирования форсунок на давление начала открытия иглыи контроля герметичности запорного конуса распылителя.

Ключевые слова:насос высокого давления, электромагнитный клапан, форсунка, цикловая подача топлива, диаметр сопловых отверстий.

DEVICE, CALCULATION AND REGULATION OF FUEL EQUIPMENT OF DIESEL

DIESEL DIESELS TYPE 8ЧН 26/26

L.Yu. Volkova,Cand. tech. sciences, associate professor,

Department «Ship power plants and heat power engineering»

Kaliningrad State Technical University, Russia

Summary. The adjustment technique is given in the stand of the pump of high pressure of diesel diesel 8ChN 26/26. The technique is offered and the main sizes of plunger pair of pump of high pressure of diesel 8ChN 26/26 are determined. The design of the solenoid valve and the principle of its operation in the section of thehigh-pressure pump are considered, the main design formulas are given. The procedure for calculation of nozzle atomizer for various fuel cycle supplies is given. Effective atomizer flow section, diameter and

number of nozzle holes are defined for cycle feed 1300 mm3. Benches are proposed and procedure of nozzles adjustment for needle opening start pressure is given.

Keywords: high pressure pump, solenoid valve, injector, fuel cycle supply, nozzle hole diameter.

Введение

Технические и экономические показатели дизеля, жесткость протекания рабочего процесса, его надежность и долговечность, токсичность отработавших газов зависят в основном от способа смесеобразования, совершенства топливной аппаратуры, ее состояния и регулировки. Топливная аппаратура дизеля состоит из подкачивающего насоса, насоса высокого давления, трубопроводов и форсунок. К топливной аппаратуре предъявляются специальные требования, главные из которых заключаются в следующем:

–дозировать с высокой точностью цикловую подачу топлива (в мм3/цикл или г/цикл)на всех переменных и постоянных нагрузках и скоростных режимах.

–подавать необходимое (благоприятное) и равное количество топлива от цикла к циклу по всем цилиндрам дизеля;

–обеспечивать высокое давление топлива, необходимую мелкость распыливания и баллистику топливного факела с учетом способа смесеобразования, задержки самовоспламенения топлива, размеров и формы камеры сгорания;

–обеспечивать в течение длительного времени эксплуатации стабильность конструктивных и регулировочных параметров насоса высокого давления и форсунок;

–начало впрыска топлива в камеру сгорания относительно верхней мертвой точки (ВМТ) должно быть оптимальным для каждого нагрузочного и скоростного режимов работы дизеля, обеспечивая минимальный расход топлива.

124

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов IV Международной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

Основная часть

Топливный насос дизеля 8ЧН 26/26 (рисунок 1) [1] соединяется при помощи трубопровода высокого давления с форсункой и предназначен для подачи распыленного топлива в камеру сгорания под высоким давлением (60 – 120 МПа). Основанием насоса является корпуса 5, в котором расположена плунжерная пара, нагнетательный клапан 12, прижатый при помощи штуцера 13 к поверхности втулки плунжерной пары. Втулка плунжерной пары имеет два отверстияЖ для подвода и отвода топлива. Плунжер

диаметром 18 мм имеет верхнюю и нижнюю наклонные отсечные кромки е, обеспечивающие регулировку (изменение) количества подаваемого топлива в цилиндр за цикл путем поворота плунжера. Данный способ регулирования количества топлива называется отсечкой в конце подачи.

При поступательном движении зубчатой рейки 19 поворачивается зубчатый сектор вместе с плунжером, уменьшая или увеличивая подачу топлива. Полный ход плунжера остается постоянным (например, 22 мм), а активный ход при повороте плунжера изменяется (например, от 0 до 10 мм).

Рисунок 1– Топливный насос высокого давления дизеля 8ЧН 26/26:

1 – втулка; 2 – втулка направляющая; 3 – тарелка; 4 – тарелка нижняя;5 – корпус насоса; 6 – венец зубчатый; 7 – пружина; 8 – тарелка; 9 – болт;10 – кольцо уплотнительное;

11 – седло клапана; 12 – клапан;13 – штуцер;14 – прокладка; 15, 18 – винты; 16, 17 – крышки; 19 – рейка зубчатая;20 – колпак; 21 – штифт; А и Н – размеры установочные;

К– поверхность для маркировки толщины прокладок; с – полость высокого давления;

Ж– полость низкого давления; е – кромки плунжера отсечные

1. Определение основных размеров плунжерной пары насоса высокого давления.

Расчетным путем определим основные размеры плунжерной пары насоса высокого давления, который при помощи форсунки подает топливо в камеру сгораниядизеля 8ЧН26/26. Мощность дизеля равна 993 кВт при частоте вращения коленчатого вала 750 мин-1.

Основные размеры плунжерной пары насоса зависят от величины удельного эффективного расхода топлива, который определяется из теплового расчета и на основе доводочных испытаний двигателя. Для дизеля 8ЧН 26/26, который работает на режиме номинальной мощности, цикловую подачу дизельного топлива в мм3определим по формуле [2]

125

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

где qе – удельный эффективный расход топлива, 200 г/(кВт·ч); Nе– номинальная мощность дизеля, 993 кВт; i– число цилиндров дизеля, 8; nн– частота вращения кулачкового вала насоса, 375 мин-1;

ρТ– плотность дизельного топлива, 0,85 г/см3.

В таблице 1 приведены технические характеристики топливных насосов высокого давления [3,4]. Топливный насос выбирают по цикловой подаче, которая подсчитывается по уравнению (1). Максимальное значение пусковой подачи обычно больше номинальной подачи в 1,5 – 2,5 раза. Это необходимо для надежного пуска дизеля, особенно при отрицательных температурах.

Таблица 1 – Технические данные топливных насосов высокого давления.

Для обеспечения допустимой перегрузки двигателя на режиме максимального крутящего момента и компенсации утечек топлива через зазоры прецизионных пар цикловая подача должна быть увеличена на 25 – 35%.

qпер = (1,25 – 1,35) qц. (2)

На режиме пуска двигателя подача топлива должна быть увеличена в 1,5 – 2,5 раза. q пуск = (1,5 – 2,5) q ц. (3)

Обозначим отношение полного (геометрического) хода плунжера hп к диаметру плунжера dп через величину m, которая может лежать в пределах 1 – 1,7 [5]:

m =hп /dп. (4)

Диаметр плунжера выбирается с учетом величины максимальной подачи топлива. Плунжерные пары должны обеспечивать двигательтопливом на всех режимах работы, особенно на режиме пуска:

где φп – коэффициент, учитывающий увеличение цикловой подачи на режиме пуска, 1,5 – 2,5; ηн – коэффициент подачи насоса, который учитывает гидравлические потери, 0,7 – 0,9.

Для qц = 1300 мм3;φп= 2,5;ηн = 0,7; m = 1,1 значение диаметра плунжера dп= 18 мм.

Подача топлива за цикл зависит от площади плунжера, его активно хода, коэффициента подачи и определяется по формуле

Для двигателей с цилиндровой мощностью от 20 до 160 кВт диаметр плунжера для насосов может лежать в пределах от 8 до 20 мм.

Для диаметра плунжера dп = 18 мм активный ход плунжера, с учетом выражения (6)равен

4 1300

hакт = π 18 18 0,7 = 7,3 мм. (7)

С учетом увеличения пусковой цикловой подачи в 1,5 – 2,5 раза по сравнению с номинальной подачей и износа плунжерной пары в процессе длительной эксплуатации

hмах= 1,5· hакт= 1,5· 7,3 = 11 мм.(8)

Полный ход плунжера, с учетом значения m =1,1 и диаметра плунжера 18 мм, принимаем равным 20 мм, который должен быть согласован с размерами кулачкового вала насоса. Выбираем насос исполнения Д(см. таблицу 1).

126

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

2. Регулирование насоса высокого давления.

Для обеспечения требуемой равномерной подачи топлива отдельными насосами (их восемь) они должны иметьравный выход регулирующих реек. В процессе начальной регулировки насосов высокого давления на стенде для каждого насоса снимается зависимость расхода топлива от положения рейки. По контрольной величине подачи топлива на режиме холостого хода насосы разделяют на три основные группы. Для обеспечения минимального расхода топлива на дизель устанавливают насосы только одной группы.

Для устранения утечек топлива из полости высокого давления через диаметральный зазор между плунжером и втулкой (2 – 10 мкм) на цилиндрической поверхности плунжера имеется широкая проточка. В объеме данной проточки скапливаются утечки топлива. Во втулке плунжера имеется отверстие, которое соединяет проточку с отсечным отверстием. В момент отсечки топлива скорость в отсечном отверстии резко увеличивается, а давление уменьшается. За счет разности давлений в полости проточки и отсечном канале утечки топлива отводятся в линию низкого давления, где давление достигает0,3 – 0,6 МПа. Данное конструктивное решение исключает просачивание топлива в масляную систему насоса, даже в результате износа (потери плотности) плунжерной пары.

Прокладками, которые расположены между втулкой направляющей 2 и корпусом двигателя, регулируют равномерность угла опережения подачи топлива (начало подачи относительно ВМТ) по цилиндрам в пределах ± 0,5 мм. Зазор между плунжером и седлом нагнетательного клапана при верхнем положении плунжера должен быть одинаковым и равным у всех насосов 2 ± 0,1 мм [1].

Регулирование насосов высокого давление на требуемую цикловую подачу топлива и минимальную неравномерность выполняется на стенде, оборудованном эталонными форсунками.

На рисунке 2 показан специальныйстенд для прверки и регулировки насосов высокого давления дизелей типа Д-49 (8ЧН 26/26).

Конструкция насосов высокого давления совершенствуется. Возможнно применение насосов с электронным управлением, в котором необходимая подача топлива обеспечивается при помощи управляемого нагнетательного клапана [5].На рисунке 3 показана упрощенная схема электромагнитного клапана, позволяющего изменять начало и конец подачи топлива и дозировать его величину. Конструктивное исполнение электромагнитного клапана может быть различного вида.

Применение электромагнитного клапана значительно упрощает конструкцию плунжерной пары насоса высокого давления. Плунжер не имеет винтовой канавки для регулирования подачи топлива, представляет собой гладкий цилиндрический стержень, что упрощаеттехнологию его изготовления, повышает надежность и долговечность. Величина давления топлива в линии нагнетания зависит от давления открытия иглы форсунки и проходного сечения распылителя. Движение плунжера во втулке осуществляется при помощи кулачкового вала.

При подаче напряжения из блока управления на катушку 5 создается магнитодвижущая сила, и

Когда давление топливабудет больше давления начала подъема иглы форсунки, игла откроется и начнется впрыск топлива в камеру сгорания. Впрыск топлива продолжается до тех пор, пока подается

127

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

напряжениена катушку 5. При отсутствии напряжения магнитное поле катушки 5 исчезает и под действием пружины игла 3 возвращается в исходное положение. Между седлом клапана 1 запорной части иглы 3 образуется зазор, через который сливается топливо из линии нагнетания. Давление топлива снижается, впрыск топлива прекращается. При помощи электромагнитного клапана осуществляется изменение начала впрыска топлива и угол опережения впрыска относительно верхней мёртвой точки.

Втягивающую силу электромагнита,с достаточной для практики точностью, определим из выражения [5]

сердечником, м.

Силу со стороны пружины, закрывающую клапан или распределитель, определяют из выражения

величины давления топлива, действующего на площадь клапана или другого запорного органа. Сила электромагнита должна быть больше силы со стороны пружины для обеспечения работоспособности электромагнитного клапана.

На рисунке 4а показана работа секции насоса высокого давления (плунжер движется вверх). Регулирующий (электромагнитный) клапан управляет потоком топлива (наполнение, слив или подача топлива к форсунке). При открытом электромагнитном клапане плунжер движется вверх и вытесняет топливо в линию подвода (впуска). При закрытом электромагнитном клапане плунжер сжимает топливо, повышая давление. Нагнетательный клапан открывается, и сжатое топливо поступает к форсунке с гидромеханическим управлением.

При движении плунжера вниз (под действием пружины) открывается впускной клапан под действием разрежения (он расположен над плунжером) и происходит наполнение топливом пространства над плунжером.

На рисунке 4 б показан разрез форсунки двигателя 8ЧН 26/26.

Рисунок 4а – Схема работы секции насоса высокого давления с электромагнитным клапаном.

Рисунок 4б – Форсунка двигателя 8ЧН 26/26 :1 – штуцер подвода топлива; 2 – трубопроводотвода утечек топлива; 3 – винт регулировочный; 4 – тарелка; 5 – пружина; 6 – корпус форсунки;7 – штанга; 8 – корпус распылителя; 9 – гайка накидная; 10 – сопловый наконечник (распылитель);

11 – фильтр; 12 – фланец; 13 – кольца уплотнительные; 14 – игла распылителя

128

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

3. Расчет съемного соплового наконечника распылителя.

Для соплового наконечника распылителя определим эффективное проходное сечение µFи диаметр сопловых отверстийdс. Подача дизельного топлива в камеру сгорания осуществляется под средним постоянным давлением 50 МПа. Для дизеля 8ЧН 26/26, работающего на режиме номинальной мощности, примем цикловую подачу равной 1300 мм3.

Основным параметром распылителя форсунки (см. рисунок 4б) является его эффективное проходное сечение µF. Коэффициент расхода µ равен 0,62 – 0,82 [6]. Общая площадь сопловых отверстий F зависит от диаметра и количества отверстий. Величина µFдля распылителей тепловозных дизелей с подачей топлива за цикл от 1 000 до 2 000 мм3 лежит в пределах0,6 – 0,9 мм2. Для конкретного дизеля величина µF уточняется при доводочных испытаниях.

Для оценки µF определим теоретическую скорость истечения дизельного топлива через сопловые отверстия [5]:

где Р – среднее давление топлива перед сопловыми отверстиями, зависит от максимального давления в канале форсунки РФmах и равно примерно 0,7РФ mах :

Объемный расход топлива Q за цикл в мм3/с равен его количеству qц, поданному в камеру сгорания за время подачи t :

Q = qц / t.(13)

Если известна продолжительностьподачи (впрыска) φвв градусах, частота вращения кулачкового вала nн в мин-1, то время впрыска топлива определим из выражения

t= 6ϕвn н = 6 15375 = 0,00666 с.(14)

Втепловозных дизелях подача топлива происходит при продолжительности впрыска 15 –20 0 поворота кулачкового вала насоса.

Величина действительного объёмного расхода топлива через форсунку составит Q= 1 300 /

0,00666 = 197 000 мм3/с = 0,000197 м3/с, откуда с учетом формулы (12) имеем [5]

µF = Q / 2 ∆P / ρТ = 0,000197 / 343 = 0,000000574 м2 = 0,574 мм2.(15)

С учетом формул (12), (13), (15) окончательно получим

qц = µF·t·θТ ·1000 = 0,574· 0,00666·343·1 000 = 1 311 мм3.

Цикловая подача топлива, определенная по формуле (1), практически не отличается от результата приведенного выше. При величине коэффициента расхода, равного 0,62, суммарная площадь сопловых отверстий составит 0,926 мм2. При числе сопловых отверстий равном 9, площадь сечения одного сопла Fcсоставит 0,102 мм2.

По известной величине площади сопла определим его диаметр dс :

Дальнобойность (баллистика) топливного факела, мелкость распыливания зависят от диаметра соплового отверстия, давления топлива перед ним и должны быть согласованы с размером камеры сгорания, её формой и периодом задержки самовоспламенения. Для двигателя 8ЧН 26/26 данный вопрос подробно рассмотрен автором статьи в работе [7] из которой следует, что время движения переднего фронта распыленного топлив от распылителя до стенки камеры сгорания должно быть равно периоду задержки самовоспламенения топлива.В таблице 2 даны характеристики форсунки дизеля типа 5Д49.

129

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

Таблица 2 – Характеристики форсунки дизеля типа 5Д49 (8ЧН 26/26).

4. Регулирование форсунок.

Диагностирование, качество сборки и ремонта форсунок контролируют и регулируют на универсальном или модернизированном стендах (рисунок 5 а и 5 б), предназначенных для испытания различных по конструктивному исполнению форсунок. Для создания давления топлива на стендах установлена секция топливного насоса дизеля типа 5Д49с ручным и механическим приводом. Перед началом испытания внутренние полости форсунки промывают керосином, открыв на 1-2 мин промывочный аккумулятор 10.

Топливо из бака 12 через фильтр 11 поступает в секцию насоса высокого давления. При ручном приводе насоса рычагом топливо нагнетают в коллектор, и оттуда по трубопроводу оно поступает в форсунку, укрепленную в зажимном устройстве 5. Распыленное форсункой топливо улавливается в сборнике, верхняя часть которого выполнена из прозрачного материала для возможности контроля качества распыливания топлива. Давление начала открытия иглы (34 ±0,4 МПа) регулируют изменением усилия на пружине 5 (см. рисунок 4 б) при помощи винта регулировочного3.

Герметичность запорного конуса распылителя проверяют, создав давление в форсунке 30 МПа. Если в течение 10 сна поверхности носика распылителя не появится капля топлива, то герметичность запорного конуса считается удовлетворительной. Нарушение герметичности с просачиванием топлива может привести к образованию кокса в сопловых отверстиях и их закоксовыванию.Образование кокса в сопловых отверстиях может быть и в результате снижения давления начала открытия иглы, потери подвижности иглы, увеличения хода иглы.При значительном увеличении хода иглы (на 50%), в результате действия сил инерции, игла не успевает «следить» за изменением давления в полости форсунки и ее посадка начинается в момент, когда давление топлива в камере форсунки будет меньше давления газов в цилиндре двигателя. В данном случае горячиегазы проникают в полостьраспылителя, повышая его температуру, способствуя образованию кокса[8].

Качество распыливания и четкость отсечки (конца подачи) топлива форсункой определяется визуально примерно для 25 впрысков в течение минуты. Впрыскиваемое (распыленное) дизельное топливо должно быть похоже на белый туман и сопровождаться резким звуком. Звук появляется в результате дробящего впрыска топлива. Игла совершает колебательное движение с частотой более

100 Гц.

Рисунок 5 а – Стенд универсальный для испытания и регулирования форсунок тепловозных дизелей:

1– кнопка «стоп»; 2 – стойка; 3– форсунка; 4– манометр; 5– устройство зажимное; 6–кран воздушный; 7– пускатель; 8– электродвигательпривода топливного насоса; 9–насос топливный;

10 – аккумулятор;11– фильтр; 12–бак топливный; 13– кран; 14 – рукоятка привода насоса; 15 – ёмкость

Рисунок 5 б – Стенд модернизированныйА -106

130

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

Выводы по работе

1.Рассмотрена конструкция, принцип работы насоса высокого давления тепловозного дизеля 8ЧН 26/26 и приведена методика его регулировки на стенде.

2.Предложена методика и определены основные размеры плунжерной пары насоса высокого давления дизеля 8ЧН 26/26.

3.Рассмотрена конструкция электромагнитного клапана и принцип его работы в секции насоса высокого давления, приведены основные расчетные формулы.

4.Приведена конструкция форсунки, дана методика расчета распылителя, определено его эффективное проходное сечение, диаметр и число сопловых отверстий.

5.Предложены стенды и дана методика регулирования форсунок на давление начала открытия иглы и контроля герметичности запорного конуса, влияющего на образование кокса враспылителях.

Библиографический список

1.Симсон, А. Э. Двигатели внутреннего сгорания (тепловозные двигатели и газотурбинные установки): учебник / А. Э. Симсон, А. З. Хомич, А. А. Куриц. – М.: Транспорт, 1980. – 384 с.

2.Макушев, Ю.П. Расчет систем и механизмов двигателей внутреннего сгорания математическими методами: учебное пособие / Ю. П. Макушев, Т. А. Полякова, Л. Ю. Михайлова и др. – Омск: СибАДИ, 2011.–284 с.

3.Файнлейб, Б. Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: справочник / Б. Н. Файнлейб. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1990. – 352 с.

4.Дизельная топливная аппаратура. Справочник / А.П. Чиркин, И.И. Резник. Государственное научнотехническое издательство машиностроительной литературы. Москва, 1965. – 170 с.

5.Макушев, Ю. П. Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие / Ю.П. Макушев, А.П. Жигадло, Л.Ю. Волкова. – Омск: СибАДИ, 2017. – 208 с.

6Трусов, В. И.Форсунки автотракторных дизелей / В. И. Трусов, В. П. Дмитриенко, Г. Д. Масляный. – М.: Машиностроение, 1977. – 167 с.

7.Володин, А.И. Расчет параметров струи впрыскиваемого жидкого топлива тепловозных дизелей / А.И. Володин, Л.Ю. Михайлова (Волкова) // Омский научный вестник. Серия «Приборы, машины и технологии». – 2011. – №3 (103). – С. 143-147.

8.Володин, А.И. Причины образования кокса в сопловых отверстиях распылителей форсунокдизелей / А.И. Володин, Л.Ю. Михайлова (Волкова), Ю.П. Макушев // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии.– 2013. –№1 (117). –С. 59-63.

131