Оценка эффективности использования дизельного топлива с присадкой ПТЛМ на примере работы прецизионных сопряжений распылителей форсунок

У дизельного топлива важная роль в развитии сельского хозяйства, промышленности, транспорта; во многих других потребностях человека. Однако эксплуатация техники на предприятиях АПК в условиях повышенной запыленности при длительных нагрузках влияет на качество топлива, снижая его эксплуатационные свойства, что приводит к ускоренному износу плунжерных пар ТНВД (топливного насоса высокого давления) и прецизионных сопряжений распылителя форсунки, ухудшению техникоэкономических показателей работы двигателя, повышенному расходу топлива и снижению долговечности работы топливной аппаратуры дизеля [5; 6].

Надежная работа распылителей форсунок обеспечивает поддержание эксплуатационных параметров дизельного двигателя в нормативных пределах. Износ, закоксовывание распылителей приводят к нарушению эффективности работы распылителя, снижению мощности и увеличению расхода топлива [5; 6]. По данным различных авторов, износ распылителей форсунок обусловлен низкими эксплуатационными свойствами дизельного топлива и загрязнением абразивными примесями [3; 4; 7].

В настоящее время для удовлетворения ужесточенных экологических и санитарных требований к дизельным топливам в них снижают содержание серы – смазывающего вещества этого топлива [10]. Для удаления серы используют гидроочистку, из топлива удаляют не только серу, но и другие поверхностно-активные вещества, способные образовывать защитную пленку на поверхностях деталей [8]. Это приводит к увеличению коррозионной агрессивности дизельных топлив и преждевременному износу плунжерных пар топливных насосов и прецизионных сопряжений форсунки. Кроме того, увеличивается уровень выбросов токсичных веществ, значительно ухудшая экологическую обстановку. Для повышения эффективности дизельных топлив в них добавляют присадки.

По показаниям многих исследований, направленных на использование жирных кислот растительных масел в качестве добавок к топливу: их использование возможно, но изучено мало. В основном используют дорогие импортные присадки, труднодоступные и малоэффективные. Практическое отсутствие отечественных присадок приводит к зависимости от импорта.

Несмотря на важность проблемы поиска отечественных присадок для повышения долговечности работы и поддержания технического состояния прецизионных сопряжений топливной аппаратуры, этому вопросу уделяется недостаточно внимания.

Цель работы – определить эффективность дизельного топлива в присутствии присадки ПТЛМ при работе прецизионных сопряжений распылителей форсунок дизельно- го двигателя.

Материалы и методы

Известно [1], что скорость ухудшения характеристик трущихся узлов пропорциональна скорости образования размельченных частиц изнашивания в результате механического взаимодействия и может быть определена по формуле dQt) = 1^, dt            dt где Xi (a) - чувствительность прецизионной пары к присадке ПТЛ М;

dN

– скорость

разрушения абразивных частиц в прецизионных сопряжениях форсунки;

dQ(t) dt

– ско-

рость изменения расхода через прецизионную пару.

Согласно работе [2] скорость разрушения абразивных частиц можно представить в виде зависимости от концентрации частиц N_i (t)

= N.t, dt

С учетом (2) зависимость (1) приобретает вид dof1) =X,(a )N,(t).

dt

Зависимость (3) не учитывает влияния смазочных свойств топлива на ухудшение характеристик трущихся сопряжений.

Динамика изменения концентрации частиц загрязнений i-й группы зависит от их исходного содержания в этой группе N i0 , т.е. в момент времени t, вязкости топлива v , температуры топлива, структуры и наличия дефектов в поверхностном слое деталей сопряжения, твердости материалов деталей, содержания дисперсионных и противоиз-носных присадок и т.д.

Согласно экспериментальным исследованиям зависимость концентрации абразивных частиц загрязнений от их исходного содержания в топливе и времени эксплуатации может быть выражена экспериментальной зависимостью [2]

t

N i (t) = N i0 e^{t λ} ,                                  (4)

где t λ – постоянная времени разрушения, с.

Для учета влияния свойств топлива на износ мы предлагаем выразить постоянную времени разрушения в виде функциональной зависимости от вязкости, топлива, температуры, плотности, теплопроводности, диаметра иглы и процентного содержания присадки в топливе.

Для уменьшения числа переменных можно воспользоваться теорией подобия и размерностей, которая позволяет значительно сократить количество переменных, объединяя их в безразмерные комплексы [9]. Согласно теории подобия и размерностей зависимость между размерными величинами у=f(x1,x2,x3,...,xk,...,xn-1,xn),                            (5)

где x1,x2,x3,...,xk,...,xn-1, xn – размерные переменные, влияющие на «у», и может быть представлена в виде [10]

у = f( π ₁, π ₂, π ₃,..., π _k,..., π _{m - 1}, π _m),                               (6)

где π ₁, π ₂ , π ₃, ..., π _k , ..., π _{m - 1}, π _m – безразмерные критерии, составленные из размерных параметров.

Основные размерные величины: время – θ , масса – М; длина – L, температура – Т.

В табл. 1 представлены основные величины, характеризующие влияние смазочных свойств топлива на износ прецизионных сопряжений деталей топливной аппаратуры.

Таблица 1

Параметры влияния смазочных свойств топлива на износ прецизионных деталей топливной аппаратуры

№ п/п	Параметр	Обозначение	Натуральная размерность	Размерность в основных размерных единицах
1	Вязкость	µ	Па∙с	M L ⋅ T
2	Плотность	ρ	кг/м3	M/L3
3	Диаметр иглы	D и	м	L
4	Температура топлива	t т	ºС	θ
5	Теплопроводность	λ	Вт/(м ⋅ К)	M ⋅ L T3 ⋅ L
6	Процентное содержание присадки в масле	α
7	Коэффициент температуропроводности	а	м2/с	L2/T
8	Постоянная времени разрушения	t λ	с	Т

В результате обработки методами размерностей и подобия были получены критерии подобия:

П1 =-^ , П 2 = а , П = ^X- t ^T ■ ₂t ² .

р-а                ц-dU

Постоянная времени разрушения входит в безразмерный критерий П3, поэтому для ее определения экспериментальным путем использовали зависимость Пз = ь^п-3,

где b 1 , b 2 , b 3 – экспериментальные коэффициенты.

Из уравнения (7) определяют постоянную времени разрушения

t X =

ц- D 2 - b l - n b² - П -³

X- t_т

.

После подстановки уравнения (8) в уравнение (4)

Ni(t) = Ni0exP

t

ц-dU - bl - nb - пЬ3

U      X-tm

Полученная зависимость (9) позволяет определить количество частиц абразивных примесей i-й размерной группы в момент времени t.

Тогда формула (1) принимает вид

(                          7

dQ(t) dt

X i( a ) - Nioexp

и

t

ц-dU - bl - nb2 - nb3

X - tT

Проинтегрировав выражение (8), получим

Q(t) = Xi(a) - Nio

ц-DU - bi - nbb - nb3

V         X- tm

- exp

t

ц-dU - bl - nbb - nb3

X - tT

.

Уравнение (11) позволяет качественно определить влияние различных факторов, входящих в критерии, на изменение расхода через прецизионное сопряжение.

Анализ формулы (11) показывает, что расход топлива через прецизионное сопряжение зависит от чувствительности прецизионной пары X i ( а ), содержания присадки в топливе, исходного содержания N₁₀ частиц i-й размерной группы, теплопроводности X сопряжения, температуры сопряжения, вязкости топлива, критерия П 1 , процентного содержания противоизносной присадки в топливе П 2 . Для оценки влияния чувствительности прецизионного сопряжения к износу по формуле (11) были проведены расчеты зависимости расхода топлива через сопряжение от времени работы сопряжения и процентного содержания присадки ПТЛМ в дизельном топливе.

В табл. 2 приведены результаты расчета влияния присадки ПТЛМ в дизельном топливе на чувствительность прецизионного сопряжения к износу.

Таблица 2

Результаты расчета чувствительности сопряжения

Т, ч	Содержание присадки в дизельном топливе в процентах
	1	2	3	4	5
500	1,83676E-05	3,93576E-06	2,62919E-06	2,21E-06	2,01E-06
1000	3,67352E-05	7,87152E-06	5,25839E-06	4,42E-06	4,02E-06
1500	5,51028E-05	1,18073E-05	7,88758E-06	6,63E-06	6,03E-06
2000	7,34704E-05	1,5743E-05	1,05168E-05	8,84E-06	8,05E-06
2500	9,1838E-05	1,96788E-05	1,3146E-05	1,1E-05	1,01E-05
3000	0,000110206	2,36146E-05	1,57752E-05	1,33E-05	1,21E-05

По результатам данных табл. 2 построен график зависимости расхода топлива через прецизионное сопряжение, приведенный на рисунке.

Влияние присадки ПТЛМ для дизельного топлива на чувствительность прецизионного сопряжения к износу: α – процентное содержание присадки в топливе; dQ – расход топлива через прецизионное сопряжение; τ – наработка сопряжения

Заключение

Полученное уравнение (11), как показывают данные, представленные в табл. 2 и на рисунке, позволяет оценить влияние присадки ПТЛМ на противоизносные свойства дизельного топлива по изменению гидравлической плотности сопряжения при наработке от 500 до 3000 ч: при одной и той же наработке потери расхода снижаются при увеличении содержания присадки в дизельном топливе.

При наработке 3000 моточасов и содержании 1% присадки в дизельном топливе потери расхода составляют 9,1838E-05 м3/с, а при содержании 5% присадки в топливе потери – 1,01E-05 м3/с. Эти данные подтверждают эффективность присадки ПТЛМ для повышения долговечности деталей прецизионного сопряжения.

Особенно эффективна противоизносная присадка ПТЛМ при содержании 1% в дизельном топливе, в то же время ее эффективность снижается при содержании от 3 до 5%. Эффективность присадки при 4 и 5% отличается в пределах погрешности опыта.

Omsk Experimental Plant, Omsk

Evaluation of the efficiency of diesel fuel with TFO additives on the example of precision interfaces of injection spray nozzles