книги2 / монография 6

INTRODUCTION

The concept of high development of industrial enterprises of the agro-industrial complex of Russia increases the efficiency of the use of diesel engines, which are profitable tools for tractors, combines and other mobile energy vehicles (MEV) of the agro-industrial complex.

Improving the high technical and economic performance of diesel engines, taking into account the increasing reliability in terms of power and environmental parameters, is impossible without ensuring the operability of the fuel supply system, which characterizes the processes of mixture formation, combustion and, as detection, heat extraction in the engine.

An analysis of the characteristics that affect the wear of internal combustion engine parts shows that fuel equipment is extremely sensitive to the quality of diesel fuel.

At present, the need for technologies for the production of diesel fuel is to improve the environmental performance of the fuel composition during the storage of combustion products. However, while ensuring compliance with the requirements for the preservation of anti-export properties in the fuel.

One of the technologies for the manufacture of diesel fuel that improves environmental performance is fuel hydrotreating. The proposed technology for reducing fuel oxides of serum, as well as focally active emissions, which deprives the ability of the fuel to form a protective film on the surface of parts [67] and, as it shows, the significant oiliness of the fuel. This is negatively different from the life of precision measurements of the injector and high pressure of the fuel pump.

The decline in fuel quality caused an increase in the malfunctioning state of tractors and combines, excessive consumption of fuel and [68].

The resource of sprayers of modern tractor and combine diesel engines according to GOST 10579-88 (as amended from 1995-07-01) should be at least 50% of the resource of nozzles, automotive diesel engines - at least 3500 hours. The total resource of domestic sprayers in diesel engines This does not exceed 1200 ... 1300 hours, while the resource of Bosch sprayers is more than 4500 hours. Statistical observations of the operation of diesel engines reveal that 75% of the causes of dysplasia are a decrease in the hydraulic frequency of growth of wear of precision infections.

An increase in the anti-wear properties of the fuel and, as a result, the operating time of injector nozzles is a sign of a high technical level of

11

diesel engines. Obtaining fuel with a combination of associated environmental characteristics and the appearance of an inflammatory inflammatory process is not possible without alloying with fuel additives with serious clinical consequences: anti-wear, cetane-enhancing, depressor-dispersant (for the winter period) [67].

There are various types of additives to detect lubricating properties, mainly foreign-made: Infmeum, BASF, Clariant, Lubrizol, etc. The composition of the additives is unknown. However, these deliveries do not allow to obtain assembled diesel fuels of the required quality in the conditions of the agro-industrial complex.

To solve the problem of the task of antiwear properties of diesel fuel, it is necessary to develop and use domestic additives in the production of fuel or for use at the place of consumption. This significantly increases the number of working parts of the fuel equipment and the high resource of diesel internal combustion engines.

The monograph deals with issues related to the development of antiwear additives based on linseed oil. Justification for determining the effectiveness of the developed model, the processes of wear of parts of injector nozzles (linear wear, weight wear, coking of injector nozzles). The given comparative analysis of changes in the main indicators of diesel engines when operating on commercial diesel fuel and on fuel with an additive based on linseed oil.

12

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

Надежность и долговечность машино-тракторного парка определяют условия эксплуатации и режим выполнения рабочих операций. Эксплуатация дизельных ДВС мобильных энергетических средств (МЭС) при выполнении сельскохозяйственных операций, происходит в сравнительно жёстких условиях. Высокие обороты коленчатого вала при длительных нагрузках значительно увеличивают интенсивность изнашивания деталей топливной системы ДВС. Эксплуатация в условиях повышенной запыленности увеличивает риск загрязнения топлива, что влияет на интенсивность износа прецизионных пар ТНВД и способствует гидроабразивному изнашиванию деталей распылителей форсунок.

Дизельное топливо, при нарушении требований к транспортировке и хранению, значительно теряет свои эксплуатационные свойства, и становится малоэффективным при работе машинно-тракторного парка в условиях агропромышленного комплекса (АПК). При этом наработка узлов топливной системы дизельных ДВС значительно ниже заявленного заводами-изготовителями.

Инженерная служба предприятий АПК выполняет сложные задачи по обеспечению работоспособности тракторов, комбайнов и других МЭС. Согласно источникам [53,56,61,74,129] основная доля постепенных отказов топливной системы дизельных ДВС приходится на прецизионные пары, в т.ч. сопряжения распылителей форсунок. Нарушение работы и преждевременные отказы распылителей ухудшают мощностные и экономические показатели двигателя, что влияет на качество и своевременность выполнения сельскохозяйственных операций. Ресурс прецизионных пар распылителей форсунок в большей мере определяется смазывающей способностью топлива.

Существует множество исследований и способов, направленных на снижение износа и повышения наработки прецизионных деталей. Для поиска решения по обеспечению работоспособности деталей топливной системы дизельных ДВС в условиях АПК, необходимо установить качественную связь между зависимости изнашивания прецизионных деталей топливной системы дизелей и эксплуатационными свойствами топлива. Для оценки интенсивности изнашивания прецизионных пар топливных насосов высокого давления (ТНВД) и распылителей форсунок автотракторных дизелей необходимо провести анализ эксплуатационных характеристик

13

деталей ТНВД и распылителей, а так же взаимосвязь конструкции распылителей с параметрами распыливания и распределения топлива по объёму камеры сгорания. Появляется необходимость в исследовании влияния физико-химических и эксплуатационных свойств топлив на интенсивность изнашивания прецизионных пар для поиска оптимального решения, позволяющего снизить изнашивание и повысить наработку деталей топливной системы дизелей.

Существуют различные методики расчёта конструкций деталей распылителей форсунок. Предложенная А.В. Толмачёвым методика расчёта конструкции распылителя с коническим уплотнением позволяет обеспечить безударную посадку и эксплуатацию с низким износом [127,129]. В его работах изучены особенности изнашивания конических уплотнений распылителей. Изучение механизма функционирования позволила найти способ повышения ресурса распылителя вследствие модернизации конического уплотнения. Проведенные экспериментальные исследования на установках ускоренного изнашивания конических уплотнений распылителей позволили за сравнительно малое время определить качество функционирования и потери герметичности конического уплотнения.

По мнению Г.Б. Федотова [100,136] это происходит вследствие попадания инородных абразивных частиц на поверхность запирающего клапана в момент закрытия клапана распылителя. Процесс изнашивания происходит при внедрении абразива в конусную поверхность клапана с образованием лунок, рисок и возможных задиров металла. Им же отмечено, что абразивные частицы в момент притирки могут оставаться на поверхности конусного уплотнения и, при высоком динамическом нагружении, способствуют отслаиванию наклепанного на конусной поверхности металла. Указанный тип изнашивания зависит от величины абразивных частиц, их количества и условий эксплуатации, а так же наработки сопряжения.

Подобный процесс указанного вида изнашивания описаны В.А. Кисликом [81]: износ "... обусловлен ударами сопряженных

сопряжения, что в большой степени зависит от качества исполнения конусных поверхностей сопряжения.

Приведенное А.В. Толмачёвым заключение о том, что главным фактором, влияющем на процесс изнашивания конических уплотне-

14

ний является динамическое нагружение при ударной нагрузке. Он так же предлагает применить уравнение Навье-Стокса для исследования гидродинамики, где в дифференциальной форме даёт описание течения вязкой несжимаемой жидкости. В решении уравнения для конусно-щелевого канала, представленного в виде участков (Рисунок 1.1), учитывается присоединение поверхностно-активных веществ (ПАВ) топлива к конусной поверхности клапана, что позволяет получить закон изменения давления топлива по длине канала

[127,129]:

где PH ; PK – давление топлива в начале и конце участка; S = f(x) – зазор в сечении x;

f = f(x) – площадь сечения канала в сечении x;– плотность углеводородной жидкости;– значение кинематической вязкости топлива.

Рисунок 1.1а – Модель ламинарного течения топлива в конусной поверхности клапана распылителя

Рисунок 1.1б – Расчетная схема деления конусной поверхности клапана распылителя на участки при наличии уплотнительного пояска

Ниже приведены эскизы конического уплотнения распылителя форсунок, эксплуатируемых на двигателе типа NDV-48 [127,129].

15

Таблица 1.1 – Типы конических уплотнений распылителей форсунок, эксплуатируемых на двигателе типа NDV-48.

Приведённое заключение в этих же работах позволило установить, что ударные нагрузки при посадке иглы являются основным фактором процесса изнашивания конусной поверхности сопряжения распылителя в процессе эксплуатации, вследствие возникновения ударно-усталостных разрушений поверхностного слоя металла, сопровождающиеся абразивным изнашиванием. При этом происходит постепенное изменение геометрии уплотнительного пояска, что влияет на процесс протекания зависимости эффективного проходного сечения распылителя от высоты подъема иглы и

16

изменения режима работы конусной поверхности сопряжения в углеводородных жидкостях.

Модель ламинарного течения топлива позволила установить закономерности гидродинамического процесса в распылителе от высоты подъема иглы, и разработать новое конструктивное решение конусной поверхности сопряжения «игла-корпус распылителя» форсунки с более амортизирующими характеристиками уплотнительного пояска с целью снижения ударных нагрузок при запирании клапана.

В работах Т.Ю. Гурина предложено конструктивное решение повышения долговечности распылителей форсунок [53]. Модель распылителей с беспрецизионным клапанным узлом, открывающийся по потоку топлива. Предложенная модель распылителя с малой массой подвижных деталей, повышает их долговечность, не ухудшая при этом характеристики процесса топливоподачи. Изучив процесс изнашивания предложенную модель распылителей форсунок, им были установлены закономерности влияния беспрецизионного клапанного узла форсунок на скорость износа распылителей.

Так же имеется описание процесса изнашивания серийных распылителей, где, помимо абразивного изнашивания, механический износ конусной поверхности сопряжения «игла – седло корпуса» распылителя вследствие ударной нагрузки от пружины и остаточного давления топлива в полости распылителя принимает на себя сравнительно малая площадь конусной поверхности, площадка виде кольца [53].

При высоком удельном давлении на малую площадь конусной поверхности, так называемый уплотнительный поясок, происходит уплотнение поверхностного слоя металла с образованием наклепа, с последующим возникновением усталости материала детали распылителя, что приводит к отслоению и выкрашиванию. Это приводит к изменению зазора уплотняющего сопряжения запирающего клапана.

Так же описан процесс гидроабазивного изнашивания сопряжения, который ускоряется действием абразивных частиц в топливе. При указанном типе износа происходит воздействие гидравлического удара вследствие высокого давления, что способствует вымыванию металла на конусной поверхности сопряжения, и изменению геометрии распыливающих отверстий.

Описанный процесс схватывания в направляющей части деталей сопряжения «игла-корпус распылителя» форсунки, свидетельствует о

17

сухом или полусухом трении прецизионных пар. Приведенный фактор указывает на недостаточную смазывающую способность топлива, недостаточности содержания ПАВ возможные геометрические отклонения при изготовлении деталей сопряжения.

Отклонение макрогеометрии направляющей поверхностей сопряжения приводят к их большей деформаций, и, как следствие, снижению гидроплотности распылителя.

Ниже приведена принципиальная схема экспериментального распылителя с бепрецизионным клапанным узлом (Рисунок 1.2).

1 – запорный шарик; 2 – стакан; 3 – грибок; 4 – пружина; 5 – корпус распылителя

Рисунок 1.2 – Принципиальная схема распылителя форсунки с беспрецизионным запирающим (шариковым) клапаном

При эксплуатации, запирающий (шариковый) клапан 1 перекрывает подачу топлива к распыливающим отверстиям распылителя, при этом происходит ударное воздействие клапана о седло с образованием проходного сечения. Многократное ударное воздействие приводит к износу запирающего устройства и седла распылителя с изменением микрогеометрии поверхностного слоя материала детали сопряжения. Изменяется эффективное проходное сечение между запирающим клапаном (шариком) и седлом корпуса. Изменение микрогеометрии отражается на величине проходного сечения, способствует образованию утечек топлива и, как следствие, изменение гидроплотности распылителя форсунки.

18

Однократное ударное воздействие запирающего клапана на седло корпуса способствует образованию напряжений сжатиярастяжения и накопление энергии в поверхностном слое (Ну = 20...60 мкм). Эпюра напряжений при ударном воздействии условно представлена на рисунке 1.3 [53].

1 – запирающий клапан; 2 – седло корпуса распылителя; Ну – толщина поверхностного слоя точки возникновения напряжений.

Рисунок 1.3 – Локальные точки возникновения напряжений сжатия-растяжения при ударной нагрузке запирающего клапана.

При увеличении цикличности ударного воздействия запирающего клапана, в поверхностном слое локальных точек контакта происходит накопление энергии с развитием дефектов кристаллической решетки, что ведёт к увеличению микротрещин, выходом их на поверхность и образованию сколов металла (Рисунок 1.4).

1 – запирающий клапан; 2 – седло корпуса распылителя.

Рисунок 1.4 – Возникновение микротрещин в поверхностном слое запирающего клапана в точках контакта сопряжения

19

Приведенные зависимости изменения гидроплотности при теоретическом изучении процесса изнашивания запирающего клапана позволяют математически описать изменение проходного сечения распылителя на всех этапах изнашивания. Изменение площади проходного сечения на этапе приработке сопряжения определяется зависимостью [53]:

где S0 – исходная площадь проходного сечения, м2; k – коэффициент пропорциональности;

β – доля энергии, затрачиваемая на пластическую деформацию; с – жёсткость пружины, Н/м;

H – высота подъёма запирающего устройства, м; m – масса подвижных деталей форсунки, кг;

g – ускорение земного тяготения, м/с2;

n – число оборотов коленчатого вала двигателя, мин-1; t – наработка распылителя, ч;

dh – высота деформации микронеровности, м; σ׳в – предел упругости материала, МПа;

T0 – исходная опорная поверхность, м2; α׳, b׳, d׳ – коэффициенты.

Предлагаемая зависимость изменения площади проходного сечения на этапе нормальной эксплуатации сопряжения определяется как [53]:

где Tk – площадь поверхности контакта у основания микронеровностей, м2;

σ׳-1 – допускаемая величина предела выносливости материала, МПа;

τ – тактность двигателя; η, σ, µ - экспериментально определяемые коэффициенты;

Предлагаемая зависимость изменения площади проходного сечения на этапе аварийного износа при эксплуатации сопряжения определяется следующем виде [53]:

k3 S2(k 1 1) k3 ,

20