Влияние технического состояния и регулирования топливной аппаратуры дизеля на процессы топливоподачи и сгорания топлив С разными свойствами

Одним из доступных мероприятий при переводе дезелей на другие сорта (марки) топлив, как известно, является перерегулировка топливной аппаратуры под контролем допустимых по соответствующим нормативам значений максимального давления сгорания p_z, температуры выпускных газов и, видимо, экологических показателей (допустимых дымности и токсичности).

Однако динамические явления, возникающие в процессе впрыска, нарушают картину регулирования, заданную статическими характеристиками. Поэтому действительные параметры регулирования топливной аппаратуры определяются всем комплексом составляющих ее элементов – от полости наполнения топливного насоса высокого давления (ТНВД) до распыления форсунки – с учетом особенностей, определяющих рабочие свойства отдельных элементов. Такие особенности могут проявляться в конструкции того или иного элемента, его геометрии, кинематике привода и т.п.

Но объективное суждение о состоянии регулирования топливной аппаратуры на различных эксплуатационных режимах можно составить только на основе регулировочных характеристик по динамическим параметрам. Такие характеристики получаются расчетным или экспериментальным путем. [23, 32]

Под действительными параметрами регулирования обычно понимают фазы начала, конца и продолжительности φ_ф подачи топлива форсункой:

 

φ_{ф =} φ_нпф+ φ_кпф (7)

 

Но динамика впрыска приводит не только к изменениям действительных (по форсунке) фаз подачи по отношению к геометрическим (по насосу). Эффект дросселирования потока топлива при его перетекании в органах регулирования, а также вязкость и плотность другого сорта топлива изменяют вышеуказанные фазы подачи по насосу. [23, 32, 66]

Как известно, регулировочные характеристики по динамическим параметрам зависят в первую очередь от способа регулирования ТНВД: по началу подачи либо по концу подачи топлива. [32, 37, 67]

В свою очередь, при одних и тех же условиях нагрузки дизеля характер процесса сгорания зависит от закономерностей подачи топлива в период впрыска. [37, 67]

Допуская, что топливо несжимаемо, в любой момент подачи справедливо равенство:

g_н = f_пс_пγ_т = g_ф (8)

 

где g_н и g_ф - секундные количества топлива, подаваемые соответственно насосом и форсункой, гс/с;

f_п и с_п – соответственно площадь, см², и скорость, см/с, плунжера;

γ_т – плотность топлива, г/см³.

Так как φ = 6n^π_, то положив φ = 1^о ПКВ и имея в виду выражение (8), получим закон подачи для несжимаемой жидкости:

 

g'_ф = g’_н = g_нτ₁^о ₌ f_пс_пγ_т/(6n) = kc_п (9)

 

где k – постоянная для данного режима величина.

Для конкретного режима он определяется только скоростью плунжера и, следовательно, может быть в масштабе представлен ее графиком с_п = f(φ) (рис. 12а)

Рисунок 12 – Закон подачи топлива в дизеле

 

Но в процессе впрыска динамические явления нарушают характеристики, заданные кинематикой привода ТНВД. Поэтому фактический закон подачи должен быть увязан с динамикой впрыска. В этом случае в любой момент времени расход топлива через форсунку g''_ф выразится зависимостью:

g''_{ф =} μ_ф f_фс_фγ_т = μ_ф f_фγ_т (10)

где μ_ф f_ф – эффективное сечение распылителя, см²;

с_ф - скорость истечения топлива из форсунки, см/с;

P _т – плотность топлива, кгс с²/см⁴;

P _{вп p} – среднее на данном участке впрыска давление топлива у форсунки, кгс/см².

Приняв участок впрыска равным 1^о ПКВ, получим действительный закон подачи с учетом всех факторов:

g'''_ф = g'' _фτ₁^о = μ_ф f_фγ_т (11)

 

Допуская, что за период впрыска μ_ф f_ф = idem, и обозначив через k₁ постоянные для данного режима величины

μ_ф f_фγ_т (12)

получим:

 

g'''_ф = k₁ (13)

 

Выражение (13) изображается графиками (рис. 12б), где изображены два варианта закона подачи. [32, 67]

Из рис.12а и рис.12б следует, что процесс впрыска характеризуется неуправляемостью, а действительный закон подачи непосредственно влияет на развитие процессов в цилиндре двигателя.

Изменение марки (сорта) топлива влияет на факторы μ_ф и p_т, износы сопловых отверстий (μ_ф f_ф), презиционных пар ТНВД у кулачных шайб (величина P _{вп p}).

Многочисленными исследованиями установлена функциональная взаимосвязь процессов топливоподачи и сгорания топлива в цилиндре дизеля. [32, 23, 67]

Перевод дизеля для работы на другой сорт (марку) топлива приводит к изменениям в закономерностях протекания как действительного закона подачи, так и характера сгорания (индикаторной диаграммы). Такие же изменения названных процессов вызываются характерными неисправностями в топливной аппаратуре (ТА).

Другой сорт топлива может вызвать более раннюю подачу и соответствующее изменение кривой давления у форсунки (рис. 13), где обозначено: 1 – закон подачи при исправной ТА и «эталонном» топливе; 2 – закон подачи, сформированный ранней подачей. При увеличении цикловой подачи (более тяжелое топливо) увеличивается величина p_{ф max} и φ_ф (рис. 14). Уменьшение угла опережения впрыска и общее падение давления впрыскивания вызывается падением скорости нарастания давления (рис. 15).

 

 

Рисунок 13 – Изменение закона подачи топлива при использовании других сортов

 

Рисунок 14 – Увеличение цикловой подачи более тяжелого топлива

Рисунок 15 – Изменение закона подачи топлива с изменением скорости нарастания давления

 

При значительной вязкости топлива и закоксовывании сопловых отверстий растет давление впрыскивания (рис. 16). Соответствующие изменения характера индикаторной диаграммы приведены на рис. 17 – рис. 19, где кривая 2 (рис. 17) характеризует процесс подтекания топлива под иглой форсунки; при этом значение p_z снижается и топливо догорает по линии расширения.

Износ плунжерной пары ТНВД приводит к искажению формы индикаторной диаграммы (рис. 18, кривая 2).

Процесс (рис. 19, кривая 2) характеризует раннюю подачу, возникающую при переводе дизеля на топливо, имеющее повышенную плотность.

 

 

Рисунок 16 – Изменение закона подачи с увеличением вязкости топлива

Рисунок 17 – Изменение характера индикаторной диаграммы, характеризующей подтекание топлива

 

 

Рисунок 18 – Изменение характера индикаторной диаграммы при износе плунжерной пары

 

Рисунок 19 – Изменение характера индикаторной диаграммы при ранней подаче топлива

На рис. 20 показан характер изменения регулировочной динамической характеристики ТНВД (по началу подачи) дизеля, работающего на электрогенератор при постоянном скоростном режиме, что характерно для тепловозной ДГУ. Характер изменения по нагрузке значений φ_инф и φ_кпф указывает на то, что эти фазы не согласуются, а действительный угол опережения будет больше геометрического.

Рисунок 20 – Характер изменения динамической характеристики дизеля

 

Таким образом, перевод дизеля для работы на топлива, имеющие другие физико-химические показатели (плотность, вязкость и др.), чем для топлив по ГОСТ 305-82, вызывает изменения в характеристиках топливоподачи и, следовательно, процесса сгорания [66, 73]. Характер этих изменений является сходным с таковыми при соответствующих неисправностях ТА дизеля, что может быть использовано для целей анализа и диагностирования с помощью соответствующего двухлучевого электронного осциллографа [10] либо унифицированного прибора К-748 [32]. Для реализации такой цели необходимо создание банка данных по типам дизелей и сортам топлива.