ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ/4.Транспорт

 

Аспирант Голубов А.С.

Национальный авиационный университет, Украина

 

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

 

Значительная часть всех отказов автомобилей и тракторов связана с неисправностями двигателей [1-3]. При этом до 95% отказов приходится на пары трения топливной аппаратуры.

Одним из основных и наиболее сложных элементов топливной системы является топливный насос высокого давления (ТНВД), который должен обеспечить точное дозирование топлива в зависимости от порядка работы цилиндров, нагрузки и скоростного режима автомобиля и трактора. ТНВД относятся к насосам плунжерного типа, в котором зазор между плунжерами и втулками находится на уровне 0,5-2,0 мкм. Это предъявляет высокие требования к противоизносным свойствам дизельного топлива, которые в свою очередь зависят от многих факторов и, в том числе, от чистоты и наличия в топливе загрязнений любого происхождения (частицы пыли, износа). При неудовлетворительных противоизносных свойствах наблюдается интенсивный износ плунжерних пар, что вызывает уменьшение циклической подачи топлива  за счет его утечек через зазор между плунжером и втулкой, а также  неравномерность подачи по цилиндрам. Также от противоизносных свойств зависит качество работы нагнетательного клапана и распыла топлива через сопла форсунок.

Таким образом, повышенный износ указанных элементов топливной аппаратуры отрицательно влияет на мощностные и экономические показатели работы дизелей.

В настоящее время, кроме обычной очистки топлива от загрязнений, практически не используют никакие меры для улучшения его противоизносных свойств. Имеются отдельные сведения о возможности решения этой задачи путем искусственного диспергирования загрязнений в топливе [3], но при относительно неплохих результатах использование соответствующих средств, которые реализуют этот процесс, требует существенного конструктивного вмешательства в топливную систему и, как следствие, ее подорожание.

В настоящее время появились сведения о кондиционере Теchni-lube, который имеет относительно небольшую стоимость и в соответствии с рекламным проспектом при введении его в относительно небольших концентрациях в топливо улучшает противоизносные свойства последнего. Однако до настоящего времени в специальной литературе отсутствуют результаты испытаний этого кондиционера с использованием отечественного дизельного топлива, что сдерживает возможность применения кондиционера при  эксплуатации автомобильных, тракторных и других дизелей.

Целью настоящей работы являлось установление влияния кондиционера Теchni-lube на противоизносные свойства дизельного топлива и, следовательно, на износостойкость топливной аппаратуры.

Исследования проводились на лабораторном стенде (рис.1), который в полной мере имитирует работу топливной системы тракторного двигателя.

В этом стенде использовался четырехплунжерный ТНВД рядного типа марки ЛСТНМ-410010 левого исполнения, который устанавливается на двигателях СМД-60. Посредством ременной передачи 2 вал ТНВД соединяется с электродвигателем 3 мощностью 1,5 кВт с частотой вращения 950 мин-1.  При этом передаточное отношение ременной передачи составляет единицу, что максимально отвечает реальным условиям эксплуатации насоса вышеупомянутого двигателя при номинальном режиме  (850-950 мин-1) [4].

Принцип работы стенда следующий. Топливо из бака 4 подается в ТНВД 1 посредством топливоподкачивающего насоса 5 через корпус фильтра  грубой очистки 6. Из ТНВД топливо поступает через трубопроводы в форсунки  ФД-22 двигателя СМД-60.


Рис.1. Принципиальная схема стенда для испытания

на износостойкость элементов топливной аппаратуры дизелей:

1 – топливный насос высокого давления; 2 – ременная  передача; 3 – электродвигатель; 4 – топливный бак; 5 – топливоподкачивающий насос; 6 – корпус фильтра грубой очистки; 7 – форсунки.

 

Перед началом испытаний форсунки на лабораторном стенде были отрегулированы на давление срабатывания 17,5 МПа, что отвечает реальным условиям эксплуатации. После прохождения форсунок топливо возвращалось в бак 4, то есть испытания проводились в замкнутом режиме при ограниченном количестве  топлива.

Испытания проводились в два этапа. На первом этапе топливная аппаратура работала на товарном топливе без кондиционера, а на втором этапе в новую порцию топлива той же партии был добавлен кондиционер Теchni-lube в концентрации 0,12%, что в соответствии с результатами наших лабораторных исследований на машинах трения обеспечивает наилучшие антифрикционные и противоизносные свойства топлива.

Использование при испытаниях четырехсекционного ТНВД определялось стремлением сократить время испытаний и за счет наличия четырех секций получить максимально возможную достоверность результатов.

При проведении испытаний критерием для оценки износостойкости элементов топливной аппаратуры была потеря массы парами трения за время испытаний (плунжеры, нагнетательные клапаны ТНВД, а также иглы форсунок) с использованием аналитических весов ВЛР-200г-М с точностью взвешивания ±0,0001г.

Перед началом испытаний и после их окончания проводилась проверка плотности плунжерних пар насоса смесью дизельного топлива по ДСТУ 3868-99 и индустриального масла И-20А по ГОСТ 20799-75, вязкость которого при температуре 20°С составляет 10 мм2/с.

Испытания проводились при герметически закрытом отверстии втулки со стороны уплотнительного торца и нагружении плунжера до создания давления смеси 20МПа. При испытаниях поводок плунжера был повернут на угол 35° относительно оси отсечных отверстий, и смесь вытеснялась из пары трения через кольцевой зазор между плунжером и втулкой.

По времени полного опускания плунжера, то есть полного истечения топлива из пары трения, делался вывод о ее плотности (согласно правил испытаний [4] время перемещения плунжера  до полного истечения смеси должно составить 15-70с и пары по плотности разделяются на три группы: I - c, II - c и III -  с).

С целью сокращения времени стендовых испытаний использовались более напряженные режимы работы топливной аппаратуры, чем при нормальной эксплуатации. При этом основными задачами форсированных испытаний было [5]:

- выбор вида испытаний;

- определение вида разрушения;

- выбор режима нагрузки и методов форсирования;

- статистическое планирование исследований;

- выбор метода контроля износа.

В нашем случае вид испытаний – стендовые, вид разрушения– изнашивание, а нагрузки плунжерних пар, нагнетательных клапанов и игл форсунок близки к реальным.

Форсирование этих испытаний проводилось путем устранения из топливной системы стенда фильтроэлемента, что давало возможность интенсифицировать изнашивание, поскольку все частицы загрязнений топлива (в том числе и износа) циркулировали по системе.

Средняя наработка с учетом форсирования, которое бы отвечало фактическому сроку службы элементов топливной аппаратуры, можно определить из выражения [6]

                                                      (1)

где    - средняя наработка при нормальном режиме эксплуатации;

                     - коэффициент ускорения испытаний.

 

Этот коэффициент показывает, во сколько раз можно сократить  длительность испытаний относительно номинального срока службы исследуемой системы до первого ее технического обслуживания. Этот коэффициент определяется из выражения [7]:

                              (2)

где    - количество элементов в системе, которые подлежат испытанию;

                     - общее количество элементов в системе;

                     - надежность элементов системы.

На вышеприведенном стенде испытанию подлежали три элемента (плунжер и клапан ТНВД, а также иглы форсунки) и, поскольку насос четырехсекционный, то можно считать, что для испытаний использовалось по четыре образца каждого из элементов, то есть общее их количество  составило 12. Для упрощения расчетов было допущено, что надежность всех элементов системы одинаковая. В практике общего машиностроения в качестве значения достоверности безотказной работы (в случае отсутствия статистических данных) предлагается принимать равным 0,9.

После вычислений по выражению (2) было получено, что испытание может быть сокращено приблизительно в 3 раза. Приняв к сведению, что нормативный срок службы топливной аппаратуры тракторного дизеля СМД-60, которая использована в стенде, к первой проверке ее технического состояния со снятием с двигателя составляет 960 часов [4], то время испытаний согласно выражению (2) должно составить не более 320 часов.

Поскольку стенд к началу испытаний был обкатан, измерение потери массы исследуемых образцов производилось после 150 часов работы стенда. Это позволило получить результаты по износу пар трения с относительной погрешностью не более 25% при доверительной достоверности 0,9 [5].

Результаты взвешивания элементов пар трения топливной аппаратуры на аналитических весах после испытаний (табл.1) показали, что при работе на топливе с кондиционером Теchni-lube по сравнению с обычным топливом износ плунжеров уменьшается в среднем в 1,62 раза, нагнетательных клапанов - в среднем в 2,4 раза, игл форсунок - в среднем в 2,23 раза, то есть в целом износ элементов топливной аппаратуры в среднем уменьшился приблизительно в 2,0 раза. При этом среднее значение скорости изнашивания всех элементов топливной аппаратуры при работе ее на обычном топливе составила 2,87·10-4 г/час, а при введении в него кондиционера Теchni-lube– 1,72·10-4 г/час, то есть в 1,67 раза меньше, что адекватно повышению износостойкости топливной аппаратуры.

Результаты определения плотности плунжерных пар ТНВД до испытаний показали, что они принадлежали к III-й группе [4] (в среднем с), а после испытаний на обычном топливе две пары по плотности принадлежали к I-й группе ( составляла 16 с та 18 с), а две пары вышли за допустимые пределы времени вытекания ( оказалось меньше 15 с). После испытаний на топливе с кондиционером было установлено, что все пары принадлежат ко II-й группе (среднее значение  составило 42 с).

Таблица 1

Износ элементов топливной аппаратуры тракторного дизеля СМД-60

Дизельное топливо летнее (ДСТУ 3868-99)

Износ, г х 10-4

Плунжер

Нагнетательный клапан

Игла форсунки

Обычное

388,3

35,34

6,28

Обычное с кондиционером Теchni-lube

 

239,7

 

14,75

 

2,81

 

Примечание: в таблице приведены усредненные данные по четырем образцам каждого элемента.

Таким образом, проверка плотности плунжерних пар дала возможность дополнительно подтвердить уменьшение их износа (повышение износостойкости) и показала, что при работе на дизельном топливе с кондиционером процесс ухудшения рабочих характеристик плунжерных пар происходит с меньшей скоростью (в 1,67 раза), чем при работе на топливе без кондиционера. Кроме того, также можно сделать вывод относительно последующей работоспособности всех плунжерних пар через 150 часов  форсированных испытаний на топливе с кондиционером, чего нельзя сказать о тех плунжерных парах, которые работали и смазывались обычным топливом.

На основании полученных результатов стендовых испытаний можно сделать следующие выводы:

1. Повышение износостойкости топливных систем дизелей в процессе эксплуатации можно достичь путем улучшения противоизносных свойств дизельного топлива искусственным введением в него кондиционера Techni-lube в концентрации 0,12%.

2. Перспективность использования кондиционера Techni-lube безусловна, однако в дальнейшем необходимо расширить исследования в направлении  установления сопутствующих эффектов (например, изменения расхода топлива), а также изучения механизма положительного влияния кондиционера на износостойкость топливной аппаратуры дизелей.

 

Литература:

1. Повышение надежности дизельной топливной аппаратуры: Сборник научных трудов. Саратов: Саратовский сельскохозяйственный институт, 1977. – 108 с.

2. Григорьев М.А., Борисова Г.В. Очистка топлива в двигателях внутреннего сгорания. – М.: Машиностроение, 1991. – 200 с.

3. Венцель Є.С., Жалкін С.Г., Кравець А.М., Садієв С.А. Підвищення протизношувальних властивостей дизельного палива гідродинамічним диспергіруванням // Підвищення ефективності технології і техніки для виконання вантажно – розвантажувальних, будівельних та колійних робіт на залізничному транспорті: Зб. наук. праць. – Харків, УкрДАЗТ, 2002. – Вип. 50. – С. 88–94.

4. Топливная аппаратура тракторных и комбайновых дизелей /Справочник. – М.: Машиностроение, 1981. – 208 с.

5. Венцель Є.С., Кравець А.М., Храбрих В.Л. Підвищення зносостійкості паливної апаратури дизелів // Зб. наук. праць. – Харків, УкрДАЗТ, 2004. – Вип. 56. – С. 36–40.

6. Загородских Б.П. Повышение качества топливной аппаратуры дизелей // Двигателестроение. – 1987. – №3. – С. 6–7.

7. Надежность технических систем. Справочник / Под ред. проф. И.А. Ушакова. – М.: Радио и связь, 1985. – 608 с.

 

Сведения об авторе

 

Голубов Александр Сергеевич, аспирант Национального авиационного университета (03680, Украина, Киев, пр. Космонавта Комарова, 1).

Домашний адрес: 04119, Украина, Киев, ул. Белорусская, 13, кв.47.

Контактный телефон: +38 (095) 272-22-46