Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Испытания двигателей внутреннего сгорания и топливной аппаратуры дизелей: Учебное пособие для лабораторных занятий

Голосов: 0

Учебное пособие "Испытания двигателей внутреннего сгорания и топливной аппаратуры" предназначено для лабораторных занятий студентов инженерного факультета по специальностям: 190601 - Автомобили и автомобильное хозяйство; 190603 - Сервис и техническая эксплуатация; 110301 - Механизация сельского хозяйства; 110304 - Технология обслуживания и ремонта машин в АПК всех форм обучения. Студенты курс теории ДВС и практически выполняют цикл лабораторных работ по стендовым испытаниям и регулировкам двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и топливной аппаратуры (ТА). Учебно-методическое пособие по выполнению таких лабораторных работ и анализу полученных результатов подготовлены с использованием действующих ГОСТов и ТУ, а также с учетом реальных особенностей и условий эксплуатации двигателей и топливной аппаратуры.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                 80

    6. ВЛИЯНИЕ ИЗНОСОВ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ
               НА РАБОТУ ДИЗЕЛЯ

     Пружины насосов, регуляторов и форсунок со временем те-
ряют жесткость в результате многократного циклического на-
гружения и проявления усталостного изнашивания.
     Износ деталей регулятора увеличивает суммарный зазор в
цепи от грузиков до рейки или дозатора. Это влияет на устойчи-
вость работы дизеля, особенно на малых подачах топлива. Такой
же результат дает увеличение перестановочного усилия рейки
или дозатора.
     У кулачковых валов изнашиваются кулачки по передней
стороне его профиля, опорные шейки подшипников, резьбовые
поверхности и шпоночные пазы.
     Все перечисленные износы, кроме случаев аварийных поло-
мок, приводят к смещению основных точек регуляторной харак-
теристики насоса (внешней скоростной характеристики с вклю-
ченным регулятором) и компенсируются, в основном, повторной
регулировкой или заменой деталей в соответствии с технически-
ми требованиями к ним.
     Наибольшее влияние на работу топливной аппаратуры ока-
зывает износ прецизионных деталей. Прецизионные детали под-
вержены гидроабразивному и молекулярно-механическому из-
нашиванию. Определяющим видом изнашивания является гидро-
абразивное. В топливе всегда имеются твердые механические
частицы. Современные фильтры тонкой очистки топлива не в со-
стоянии отделить частицы менее 0,02 мм. Предусмотренный от-
стой топлива не всегда осуществим, а частицы менее 0,01 мм
удерживаются во взвешенном состоянии даже после длительного
отстоя.
     Процесс топливоподачи характеризуется большими перепа-
дами давления. Топливо, перетекая с большой скоростью, увле-
кает за собой механические частицы, которые снимают с поверх-
ностей микростружку. В результате прецизионные детали полу-
чают местный износ. У плунжерных пар он располагается у кро-
мок наполнительных и отсечных окон и достигает 0,025 мм, с
удалением от кромок износы снижаются. В результате износа
плунжерных пар снижается цикловая подача и растет неравно-


                              81

мерность топливоподачи по секциям насоса. У дизеля повыша-
ются динамические нагрузки, снижается его надежность. Регули-
ровщики для обеспечения необходимой величины цикловой по-
дачи разворачивают плунжер, увеличивая его активный ход. По-
дача топлива возрастает, но растягивается длительность впры-
скивания. При условии сохранения момента начала подачи топ-
лива впрыскивание части дозы топлива приходится на фазу дого-
рания, что само по себе нежелательно. Из-за увеличения дли-
тельности впрыскивания распылитель форсунки за каждый цикл
длительнее контактирует с продуктами сгорания, его средняя
температура возрастает от 180 °С до 200...210 °С, а значит, сни-
жается надежность.
      Необходимо также учитывать, что хотя плунжерные пары
одного насоса работают примерно в одинаковых условиях, но из-
нос у них изначально разный. Дело в том, что при проверке гер-
метичности плунжерных пар на гиревых стендах (КИ-759) в пре-
делах допусков на изготовление по сносу отверстий во втулке и
по углу подъема отсечной кромки получается разница в геомет-
рических ходах плунжера 0,5...0,6 мм. Это дает разницу во вре-
мени при проверке. Таким образом, подбирая плунжерные пары
по времени просачивания определенного объема топлива, в один
комплект изначально попадают пары с разными зазорами между
втулкой и плунжером. В результате опять-таки в эксплуатации
пары изнашиваются неодинаково, что влияет на работу дизеля.
Выйти из положения можно, применяя прибор, позволяющий
фиксировать время продавливания топлива и геометрический ход
плунжера (КИ-3369).
      У нагнетательного клапана при работе изнашиваются раз-
грузочный поясок и верхняя часть цилиндрической поверхности
седла, причем износ имеет конусный вид. У разгрузочного пояска
износ больше к нижней кромке, у седла больше изнашивается по-
верхность верхнего торца, износы достигают 0,030 мм. Кроме то-
го, в результате ударного контакта изнашиваются запорный ко-
нус клапана и фаска седла. Износ нагнетательного клапана влия-
ет, прежде всего, на величину остаточного давления, а через него
- на неравномерность топливоподачи и угол действительного на-
чала подачи топлива форсункой. Износ разгрузочного пояска
клапана и верхней части цилиндрического отверстия седла при-


                             82

водит к уменьшению объема разгрузки. Рост остаточного давле-
ния увеличивает максимальное давление впрыскивания, а через
него - цикловую подачу топлива. Вследствие увеличения оста-
точного давления улучшается упругость среды и сокращается
время пробега импульса волны подачи топлива по линии нагне-
тания. Угол действительного начала подачи топлива форсункой
сдвигается в сторону более раннего впрыскивания. Поскольку
клапаны изнашиваются по-разному, то изменения подач и углов
различны. Динамические показатели, вибрации и износы дизеля
растут. Рост остаточного давления приводит к появлению под-
впрыскиваний. В этом случае дизель становится неработоспособ-
ным. Разгерметизация клапана по запорному конусу снижает ос-
таточное давление, уменьшается цикловая подача, возрастает ее
неравномерность, особенно при малых подачах, угол начала по-
дачи топлива сдвигается в сторону запаздывания.
      Форсунки дизелей работают под воздействием монтажных и
циклических деформаций от движения топлива, получают тепло-
вые деформации и подвергаются воздействию цилиндровых га-
зов.
      В эксплуатации у новых форсунок идет интенсивная прира-
ботка торцевых поверхностей хвостовика иглы, штанги, пружины
и регулировочного винта. Циклические нагружения новой пру-
жины уменьшают ее длину в свободном состоянии. После нара-
ботки 150...200 мото-часов жесткость и длина пружины стабили-
зируются. Это приводит к тому, что у форсунок за первые
100...150 мото-часов давление начала впрыскивания снижается на
3,5...5,0 МПа, изменяются параметры характеристик впрыскива-
ния. Мощность дизеля снижается на 10...15 %, увеличивается
расход топлива, ухудшаются токсические показатели.
      В связи с этим рекомендуется новую форсунку проверять
после 120 мото-часов работы. При дальнейшей эксплуатации
форсунку необходимо проверять не реже чем через каждые
480±20 мото-часов работы.
      В процессе эксплуатации могут быть и другие неисправно-
сти форсунок. Среди них: износы запорных конусов корпуса и
иглы распылителя, закоксовываемость распылителей и ухудше-
ние качества распыливания топлива, снижение плотности и гер-
метичности форсунок.


                             83

     Отклонения в работе форсунок сказываются на протекании
рабочего процесса в цилиндре дизеля. Различают несколько при-
знаков в работе дизеля, когда форсунка работает ненормально:
плохой запуск, повышенная дымность отработавших газов, стуки
в момент начала воспламенения топлива в цилиндре, пропуски
вспышек.
     При появлении этих признаков дизель запускают, прогре-
вают и, поочередно ослабляя крепление гаек у штуцеров насоса,
определяют на слух неисправную форсунку (характер работы ди-
зеля не меняется), после чего снимают ее и устраняют неисправ-
ность.
     Закоксовывание распылителей форсунок, помимо отмечен-
ного, вызывает рост максимального давления впрыскивания, пе-
регрузки и сокращение ресурса насосных секций.
     Таким образом, чистота дизельного топлива, отсутствие в
нем воды, а также строгое соблюдение инструкций по эксплуата-
ции и периодичности проведения технического обслуживания,
проверок и регулировок имеют особое значение для нормальной
работы топливной аппаратуры дизеля.


                             84

                7. ТРЕБОВАНИЯ К ТОПЛИВНОЙ
                    АППАРАТУРЕ ДИЗЕЛЕЙ

      Двигатели внутреннего сгорания проектируются и создают-
ся таким образом, чтобы максимально использовать энергию сго-
рающего топлива. Топливоподающая аппаратура осуществляет
необходимую для каждого двигателя расчетную характеристику
впрыскивания топлива. От процесса сгорания зависят надежность
работы двигателя, мощность, экономичность, токсичность и
дымность.
      Процесс сгорания делят на четыре (в некоторых источниках
на пять) периода: задержку воспламенения, быстрое (интенсив-
ное) горение, диффузионное (управляемое и основное) горение,
догорание.
      Период задержки воспламенения характеризуется тем, что
первые порции топлива, поданные форсункой, воспламеняются
не сразу, а после того, как претерпевают физико-химические из-
менения. При этом топливо нагревается, испаряется, изменяется
его молекулярная структура. Время от момента поступления топ-
лива в цилиндр дизеля до момента его воспламенения называется
периодом задержки воспламенения (ПЗВ). Он зависит, прежде
всего, от времени, которое необходимо данному топливу для
прохождения физико-химических превращений. Для этого в ци-
линдре должна быть обеспечена необходимая для воспламенения
температура свежего воздушного заряда. Период задержки зави-
сит также от количества топлива, накапливающегося в цилиндре
к моменту воспламенения. Если его много, то сразу после вос-
пламенения быстро увеличивается давление в цилиндре, возрас-
тают нагрузки на цилиндропоршневую группу. Такая работа ди-
зеля называется жесткой. Количественно жесткость оценивается
отношением изменения нагрузки (давления) к углу поворота ко-
ленчатого вала. Кроме этого, период задержки воспламенения
определяет образование наиболее токсичных для организма че-
ловека компонентов - оксидов азота.
      Отрезок времени от момента воспламенения топлива до
момента достижения максимального давления в цилиндре назы-
вают периодом быстрого (интенсивного) горения.
      Затем (условно до максимальной температуры) наступает


                             85

период диффузионного (управляемого и основного) горения. В
течение управляемого горения в цилиндре есть избыток кислоро-
да воздуха, высокая температура, и пламя из очагов возгорания
легко распространяется на всю камеру сгорания. Во время основ-
ного горения коэффициент избытка воздуха уменьшается. Вни-
мание в это время уделяется подводу к несгоревшему топливу
неизрасходованного кислорода, причем чем интенсивней в этот
период диффузия (отсюда название периода), тем меньше сажи.
Заканчивается период за 15...25 градусов после ВМТ.
     Последним, до открытия выпускных клапанов, является пе-
риод диффузионного догорания топлива. Он характеризуется ма-
лым выделением тепла, вялым горением из-за уменьшения ки-
слорода, ухудшает экономичность дизеля, поэтому его желатель-
но сократить.
     Таким образом, для экономичной работы дизеля необходи-
мо:
     - в период задержки воспламенения подавать в цилиндр ми-
нимальное количество топлива, достаточное только для его вос-
пламенения на любых режимах работы;
     - обеспечивать качественное перемешивание топлива с воз-
духом;
     - максимально сократить период догорания.
     Этими условиями определяются требования, предъявляе-
мые к топливной аппаратуре (ТПА). Подаваемое топливо должно
быть дозировано в соответствии с нагрузкой дизеля и распреде-
лено на каждый градус поворота кулачкового вала. Кривая, опи-
сывающая распределение цикловой подачи ТНВД по углу пово-
рота кулачкового вала, называется дифференциальной характери-
стикой впрыскивания (законом подачи). Она определяется про-
филем кулачка, регулируется болтом толкателя.
     С момента начала подачи в течение периода задержки вос-
пламенения нарастание ее в цилиндре на каждый градус поворо-
та коленчатого вала идет медленно, далее возрастает и к концу
подачи становится максимальным. От величины давления зависят
дальнобойность факела топлива и качество распыливания, кото-
рые также должны быть определенными.
     На процесс смесеобразования оказывают влияние и конст-
руктивные особенности дизеля, в частности, форма камеры сго-


                             86

рания (КС). В последнее время получили распространение дизели
с неразделенной КС. Топливо в этих дизелях подается непосред-
ственно в надпоршневое пространство. Смесеобразование в этих
КС происходит двумя способами: объемным и объемно-
пленочным. При объемном смесеобразовании факел топлива рав-
номерно распределяется по всей КС и перемешивается с возду-
хом за счет организованного кругового движения воздуха. При
объемно-пленочном смесеобразовании часть топлива (до 15 %),
поданного в ПЗВ, перемешивается с воздухом, большая часть
впрыскивается непосредственно на стенки КС и растекается по
ним в виде топливной пленки. После воспламенения запальной
распыленной части топлива пленка интенсивно испаряется за
счет температуры стенок КС и потоков горячего воздуха и сгора-
ет. Четко разделить эти два способа невозможно, так как при
объемном способе всегда часть топлива попадает на стенки КС, а
при объемно-пленочном в зависимости от режима работы изме-
няется соотношение топлива, распыленного в камере и ушедшего
на стенки.
      Мощность дизеля непосредственного впрыска можно повы-
сить увеличением частоты вращения, применением турбонаддува
и промежуточного охлаждения поступающего воздуха на впуске.
      Турбонаддув позволяет повысить среднее эффективное дав-
ление, а значит, повысить мощность. Он положительно влияет на
рабочий процесс, поскольку к концу такта сжатия увеличиваются
давление и температура свежего заряда, что в свою очередь
уменьшает время термохимических реакций и ПЗВ в целом. Же-
сткость работы дизеля снижается примерно в два раза. Кроме то-
го, на режимах перегрузки, когда частота вращения снижается,
турбокомпрессор, имея с дизелем только газодинамическую
связь, по инерции продолжает нагнетать в цилиндры прежнее ко-
личество воздуха. Это позволяет на режиме максимального кру-
тящего момента увеличить коэффициент избытка воздуха, сни-
зить дымление дизеля и даже увеличить цикловую подачу топли-
ва, получая дополнительное увеличение крутящего момента при
перегрузках еще на 15 % сверх существующего.
      Промежуточное охлаждение подаваемого воздуха увеличи-
вает объемную массу заряда при впуске. Это дает возможность
увеличения подачи топлива и повышения мощности дизеля при


                             87

неизменных литраже и частоте вращения до 20 %.
      Дизели непосредственного впрыска с объемным и объемно-
пленочным способами смесеобразования повышают требования к
организации рабочего процесса: ужесточается режим работы
ТПА, появляется необходимость обеспечивать движение воздуш-
ного заряда в КС, необходимость поддерживать строгий темпера-
турный режим стенок КС и днища поршня, предъявляются по-
вышенные требования к чистоте дизельного топлива.
      Форсунки, устанавливаемые на дизелях непосредственного
впрыскивания, должны равномерно распределять топливо по КС.
Топливо подают так, чтобы получилась пленка на стенках КС,
точно была дозирована запальная доза, достаточная для воспла-
менения и минимальная по массе. Распыленная часть топлива
должна поступать в строго определенную часть КС. Таким тре-
бованиям не удовлетворяли штифтовые форсунки, поэтому на
дизели стали устанавливаться бесштифтовые форсунки с много-
дырчатыми распылителями, у которых подбирают число сопел,
их диаметр и углы наклона. Давление начала подачи топлива у
этих форсунок выше, и его необходимо строго соблюдать в экс-
плуатации. Увеличение давления сверх требуемого приводит к
большей дисперсности распыливания, длина факела уменьшает-
ся, он теряет дальнобойность. Вся доза поданного топлива кон-
центрируется в части объема КС, сгорает с недостатком воздуха,
происходит образование сажи. При снижении давления дально-
бойность факела увеличивается, но снижается дисперсность рас-
пыливания топлива, что замедляет испарение и полноту сгора-
ния. При давлении ниже 12 МПа появляется струйное впрыски-
вание, процесс смесеобразования идет неудовлетворительно, ди-
зель практически неработоспособен. Число и диаметр сопловых
отверстий распылителя подбирают так, чтобы в цилиндр посту-
пило необходимое количество топлива и после воспламенения в
нескольких очагах продукты сгорания не попали бы из одного
очага в другой и не снизили в нем интенсивность горения. По-
этому форсунка с многодырчатым распылителем устанавливается
относительно КС в строго определенном положении.
      Воздушному заряду на такте впуска также придают опреде-
ленное движение. Для этого впускные каналы в головке блока
выполняют под углом к оси КС. Движение воздушного заряда в


                               88

КС должно гарантировать перемешивание паров топлива с воз-
духом, подвод кислорода в зону горения и вынос из нее продук-
тов сгорания. У стенок камеры должна быть максимальная ско-
рость потока, движение заряда - круговое, чтобы пленка топлива
со стенок испарялась интенсивно.
      Интенсивность испарения будет наибольшей при повыше-
нии температуры стенок. Для нормальной работы дизеля с жид-
костным охлаждением температура охлаждающей жидкости
должна быть + 90 ± 5 °С, масла - 100...110 °С, для дизелей с воз-
душным охлаждением температура масла должна быть в преде-
лах + 110...120 °С при условии отсутствия накипи в водяной ру-
башке дизеля.
      Рост частоты вращения коленчатого вала сокращает про-
должительность цикловой подачи, применение турбонаддува и
промежуточного охлаждения увеличивает ее объем. Поэтому
возрастают нагрузки на прецизионные детали ТПА. Максималь-
ное давление впрыскивания поднимается до 40 МПа, что снижает
ресурс прецизионных деталей. Для его увеличения заводы-
изготовители ужесточили допуски на геометрические отклонения
(конусность, бочкообразность) размеров прецизионных деталей и
ввели селективную сборку пар. Это позволило уменьшить перво-
начальные зазоры в прецизионных парах, чтобы до их предельно-
го значения пары работали как можно дольше. Зазоры в плун-
жерных парах рядных ТНВД составляют 2 мкм, а распредели-
тельных насосов (НД) - 0,6...1,2 мкм. Распылители многодырча-
тых форсунок имеют зазоры по притертой части 2,5...6,0 мкм.
      Соответственно возросли требования к чистоте дизельного
топлива. Фильтрующие элементы топливораздаточных колонок и
дизелей не позволяют очистить топливо в нужной степени, по-
этому заправлять машины следует только отстоенным не менее
24 часов топливом.
      Дизели тракторов, автомобилей, самоходных сельскохозяй-
ственных машин эксплуатируются на открытом воздухе при раз-
личных температурах и широком диапазоне режимов. Поэтому
необходимо обеспечивать требуемые экономические показатели
не только на номинальном режиме при нормальных условиях ок-
ружающей среды, но и оптимизировать их с учетом различных
условий работы дизеля.


                             89

      Параметры процесса топливоподачи (цикловая подача, дав-
ление и продолжительность впрыскивания, углы начала подачи и
опережения впрыскивания топлива) выбирают и оптимизируют
при создании дизеля для номинального режима. На других режи-
мах удается частично оптимизировать лишь цикловую подачу и
действительный угол начала подачи. ТПА должна, обеспечивать,
изменение цикловых подач в зависимости от скоростного и на-
грузочного режимов работы дизеля.
      На рис. 7.1 показана скоростная характеристика ТНВД с
включенным регулятором. Точка С соответствует номинальному
режиму. При уменьшении нагрузки ТПА должна, соответственно,
снизить цикловую подачу. Точка В соответствует частоте, при
которой подача начнет уменьшаться, несмотря на то, что рычаг
управления регулятором находится в положении максимальной
подачи. Эта частота выше номинальной на 10...30 мин-1. В точке
А подача должна прекратиться.
      В практике при регулировке насосов, бывших в эксплуата-
ции, может случиться так, что на указанной частоте вращения не
через все форсунки прекратилась подача. Причиной является раз-
личие в гидравлической плотности пар, которыми укомплектован
насос. На номинальном режиме всегда можно получить нужную
величину цикловой подачи, даже от изношенной пары, увеличи-
вая активный ход плунжера. А поскольку регулятор при увеличе-
нии частоты вращения разворачивает все плунжеры на один и тот
же угол, то у изношенных пар остается часть активного хода.
      Новые пары при этом, выбрав активный ход, подачу пре-
кращают. Аналогичная ситуация возникает на режиме минималь-
ной частоты вращения холостого хода. Изношенные пары на та-
ком режиме снижают подачу до недопустимой величины, так как
увеличиваются длительность цикла и потери через зазоры. В ци-
линдрах, в которые попадает мало топлива, появляются пропуски
вспышек; дизель вибрирует, «троит»; на стенках КС, форсунке,
клапанах откладывается нагар; закоксовываются распылители
форсунок.
      Если при регулировке ТНВД обнаруживается такая ситуа-
ция, то разбирают насос и укомплектовывают его парами одина-
ковой гидравлической плотности. Подрегулировка насоса на не-
равномерность подачи между секциями на режимах, отличных от



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика