Влияние конструкции распылителя форсунки на технико-экономические показатели дизеля

УДК 621.436

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ РАСПЫЛИТЕЛЯ ФОРСУНКИ НА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЯ

В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, Е.А. Лазарев

THE INFLUENCE OF THE INJECTOR S CONSTRUCTION TO TECHNICAL-ECONOMICAL PARAMETERS OF DIESEL

V.E. Lazarev, G. V. Lomakin, E.A. Lazarev

Экспериментально исследовано влияние конструкции распылителя топливной форсунки на мощностные и экономические показатели тракторного дизеля. Установлено снижение температуры отработавших газов и удельного эффективного расхода топлива применением распылителя новой конструкции в дизеле с газотурбинным наддувом повышенной размерности.

Ключевые слова: распылитель, направляющее прецизионное сопряжение, угол опережения подачи топлива, внешняя скоростная и нагрузочные характеристики, топливная экономичность, температура отработавших газов

The influence of the injector’s construction to power and economic characteristics of the tractor’s diesel is evaluated by means of experimental tests. Decreasing the temperature of the exhaust gases and specific effective fuel consumption are estimated with application of the new construction of the injector for gas-turbine diesel.

Keywords: injector, precision guiding interface, moment of injection of the fuel, velocity and loading characteristics, fuel consumption, temperature of the exhaust gases.

Введение

Анализ развития современного дизелестроения свидетельствует о тенденции непрерывного повышения технического уровня тракторных дизелей. В этой связи совершенствование конструкции элементов топливной аппаратуры, в частности распылителя топливной форсунки, с целью повышения топливной экономичности, ресурса и снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей является одной из важнейших задач современного дизелестроения.

На кафедре «Двигатели внутреннего сгорания» ЮУрГУ разработана конструкция распылителя форсунки, основные элементы которого защищены патентом РФ на полезную модель [1]. Разработанная конструкция опытного распылителя (рис. 1) предусматривает при сохранении габаритных размеров корпуса реализацию следующих технических решений:

1. Уменьшение длины с 18 до 10 мм и диаметра с 6 до 4 мм направляющего прецизионного сопряжения иглы для снижения ее массы и удаления на максимально возможное расстояние от огневой поверхности головки цилиндров.

2. Увеличение диаметра стержня иглы для сохранения ее жесткости.

3. Развитие охлаждающей полости под дифференциальной площадкой иглы для интенсификации отвода теплоты от направляющей иглы и корпуса распылителя.

4. Увеличение числа топливоподводящих каналов с 3 до 5 для интенсификации локального охлаждения стержня иглы и корпуса распылителя.

5. Уменьшение хода иглы с 0,45 до 0,35 мм для снижения пути трения в направляющем и ударной нагрузки в запирающем сопряжениях.

6. Уменьшение площади контакта хвостовика иглы со штангой форсунки для снижения вероятности перекоса иглы при ее движении.

7. Повышение давления начала впрыскивания топлива с 21.. .22 до 27.. .28 МПа.

Изменение геометрических параметров направляющего прецизионного сопряжения иглы

сопровождается уменьшением ее дифференциальной площадки. Это снижает усилие затяжки пружины форсунки при повышении давлении начала впрыскивания до 27...28 МПа. Уменьшение усилия затяжки пружины форсунки и массы иглы опытного распылителя способствуют сниже-

нию ударной нагрузки в запирающем прецизионном сопряжении при посадке иглы на седло и, следовательно, изнашивания контактирующих поверхностей [2].

Новые конструкция иглы и конфигурация гидравлического тракта корпуса в опытном распылителе позволяют качественно изменить характер истечения топлива из распыливающих отверстий. С повышением начального и среднего давлений впрыскивания топлива уменьшается диаметр капель, при распаде струи улучшается качество распыливания топлива, обеспечивая более равномерное распределение топлива в пространстве камеры сгорания, что обеспечивает улучшенное смесеобразование. Уменьшение хода иглы способствует повышению скорости движения топлива в каналах распыливающих отверстий, турбулизации потока топлива и скорости распространения топливных струй по объему камеры сгорания.

а) б)

Рис. 1. Исследуемые распылители топливной форсунки: штатный

Методика исследования

Целью экспериментальных исследований является определение эффективности мероприятий по совершенствованию конструкции распылителя форсунки для улучшения технико-эконо-мических показателей тракторного дизеля 4ЧН 15/20,5. Проведение испытаний дизеля на тормозном стенде (рис. 2) предполагало последовательность выполнения следующих этапов:

• подготовка и тарировка элементов электрического тормозного стенда, измерительной и регистрирующей аппаратуры;

• подготовка и регулировка механизмов и систем дизеля 4ЧН 15/20,5. В соответствии техническим требованиям 51-ДТТ при испытаниях использовались летнее дизельное топливо с показателями качества по ГОСТ 305-82 и смазочное масло М10ДМ с показателями качества по ГОСТ 8581-78.

• регулирование топливных форсунок с исследуемыми распылителями на требуемое давление начала впрыскивания с визуальной оценкой качества распыливания топлива на безмоторном стенде. Давление начала впрыскивания топлива устанавливалось для штатных распылителей 21...22 МПа, а для опытных - 27...28 МПа;

Рис. 2. Дизель 4ЧН15/20,5 на испытательном электрическом тормозном стенде

Лазарев В.Е., Ломакин Г.В., Лазарев Е.А.

• установка топливных форсунок на дизель;

• обкатка (в течение 2 ч) топливных форсунок на работающем дизеле;

• определение параметров дизеля в соответствии с ГОСТ 18508-80, ГОСТ 18509-80 и техническим требованиям 51-ДТТ при работе по внешней скоростной и нагрузочным (при частотах вращения коленчатого вала 1250 и 900 мин-1) характеристикам с оптимальным углом опережения подачи топлива и штатными распылителями;

• определение параметров дизеля в соответствии с ГОСТ 18508-80, ГОСТ 18509-80 и техническим требованиям 51-ДТТ при работе по регулировочной (с изменением угла опережения подачи топлива), а затем по внешней скоростной и нагрузочным (при частотах вращения коленчатого вала 1250 и 900 мин-1) характеристикам с оптимальным углом опережения подачи топлива и опытными распылителями.

Результаты исследования

Для оптимизации угла опережения подачи топлива (по критерию минимального удельного эффективного расхода ge топлива) в дизеле, укомплектованном опытными форсунками, определялась регулировочная характеристика (рис. 3). Установлено, что при частотах вращения коленчатого вала, соответствующих режимам номинальной мощности (п = 1250 мин-1) и максимального крутящего момента (и = 900 мин-1), оптимальный угол опережения подачи топлива находится в интервале 21...23 град ПКВ до ВМТ. В дальнейшем для сравнительных испытаний устанавливался угол опережения подачи топлива 0впр = 23 град ПКВ до ВМТ.

г/кВтч

220

210

jk

Г

& /

/

400

300

&*3

г/кВт-ч

220

210

£z

I

&

fo°C

500

400

19 21 23 25 ^ирград

ПКВ до ВМТ

а)

18

21 23 2S <?** гр«

ПКВ до ВМТ

б)

Рис. 3. Регулировочная характеристика по углу опережения подачи топлива дизеля 4ЧН15/20,5 при Р„ = 0,85 МПа с опытными распылителями при п = 1250 мин-1

Результаты определения сравнительных внешних скоростных характеристик дизеля в комплектациях со штатными и опытными распылителями представлены на рис. 4. Сравнительный анализ внешних скоростных характеристик показывает, что работа дизеля в комплектации с опытными распылителями обеспечивает снижение температуры tr отработавших газов на 20.. .40 °С в исследуемом диапазоне частот вращения коленчатого вала. Снижение удельного эффективного расхода топлива ge составляет 1,5 г/кВт ч на частотах вращения коленчатого вала п = 900... 1100 мин-1 и 3 г/кВт ч - при n = 1100.. .1250 мин-1. При этом наблюдается некоторое (до 2.. .3 кВт) повышение мощности в диапазоне частот вращения коленчатого вала 900... 1050 мин-1. Запас крутящего момента исследуемого дизеля возрос с 25,5 до 27,6 %. При этом наблюдаются рост давления АРК наддувочного воздуха, тенденции к повышению расхода воздуха GB и коэффициента избытка воздуха а.

Сравнительные нагрузочные характеристики дизеля 4ЧН 15/20,5 в комплектациях со штатными и опытными распылителями при частотах вращения коленчатого вала, соответствующих режимам номинальной мощности (п = 1250 мин-1) и максимального крутящего момента (п = 900 мин-1), представлены на рис. 5.

Анализ результатов нагрузочных характеристик показывает, что при работе дизеля 4ЧН 15/20,5 в комплектации с опытными форсунками наблюдается снижение температуры отработавших газов на 50 °С при п = 1250 мин-1 и на 30 °С при п = 900 мин-1. Удельный эффек-

тивный расход топлива на этих частотах вращения коленчатого вала также уменьшился во всем исследуемом диапазоне нагрузок. Причем наибольшее снижение удельного эффективного расхода топлива наблюдалось на средних и малых значениях среднего эффективного давления Ре при п = 900 мин-1. В диапазоне изменения Ре от 0,45 до 0,85 МПа снижение удельного эффективного расхода топлива составило 6...8 г/кВтч.

Рис. 4. Внешние скоростные характеристики дизеля 4ЧН15/20,5 при работе со штатными (----) и опытными (-----) распылителями

'//С

1000 1100 1200 и, мшг>

«А о.! ад &МШ 0.5 ад од о.? 1.* р.мп»

а) б)

Рис. 5. Нагрузочные характеристики дизеля 4ЧН15/20,5 при п = 1250 мин-1 (а) и п = 900 мин-1 (6); ввпр = 23 град ПКВ до ВМТ, (----------) штатный и (----) опытный распылители

Выводы

Использование распылителей опытной конструкции в дизеле 4ЧН 15/20,5 позволяет уменьшить удельный эффективный расход топлива на 2...6 г/кВтч и температуру отработавших газов на 30...50 °С в зависимости от режима нагружения. Зарегистрировано повышение (до 2 %) коэффициента приспособляемости по крутящему моменту. Полученные результаты можно объяснить комплексным влиянием изменения геометрических параметров направляющего прецизионного сопряжения, каналов и полостей, составляющих проточную часть гидравлического тракта, уменьшения хода и массы иглы и некоторого повышения давления впрыскивания в опытном распылителе на процессы распыливания топлива и последующего смесеобразования.

Работы проведены при поддержке Германской службы академических обменов DAAD (проект А/10/72858. Ref. 325) и министерства образования и науки РФ (проект № 2.2.2.3/15088).

Исследования выполнены в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы и при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (номер проекта: 10-08-00424).

Литература

1. Пат. РФ на полезную модель RU № 86668 U1, МПК F02M 49/00. Распылитель форсунки / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, Е.А. Лазарев // Открытия. Изобретения. - 2009. - Бюл. № 25.

2. Лазарев, В.Е. Снижение тепловой и гидродинамической нагруженности направляющего сопряжения «игла-корпус» распылителя / В.Е. Лазарев, Г.В. Ломакин, Е.А. Лазарев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». - 2009. -Вып. 14. -№33 (166). - С. 76-80.

Поступила в редакцию 26 января 2011 г.

Лазарев Владислав Евгеньевич. Доктор технических наук, профессор кафедры «Двигатели внутреннего сгорания», Южно-Уральский государственный университет. Область научных интересов - снижение тепломеханической нагруженности и повышение ресурса прецизионных сопряжений элементов топливной аппаратуры дизелей.

Vladislav Е. Lazarev. Doctor of engineering science, professor of the Internal Combustion Engines department of South Ural State University. Professional interests - decreasing of heatmechanic load and increase of resource of precision integration of components of diesel engine fuel equipment of.

Ломакин Георгий Викторович. Аспирант кафедры «Двигатели внутреннего сгорания», Южно-Уральский государственный университет. Область научных интересов - совершенствование конструкции элементов топливной аппаратуры автотракторных дизелей.

George V. Lomakin. Postgraduate student of the Internal Combustion Engines department of South Ural State University. Professional interests - construction updating of auto tractor diesel engine fuel equipment.

Лазарев Евгений Анатольевич. Доктор технических наук, профессор кафедры «Двигатели внутреннего сгорания», Южно-Уральский государственный университет. Область научных интересов - исследование и моделирование процессов в поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Evgeny A. Lazarev. Doctor of engineering science, professor of the Internal Combustion Engines department of South Ural State University. Professional interests - research and modeling of processes of piston engines of internal combustion.