Работа плунжерных пар топливной аппаратуры в среде биодизельного топлива

Введение. В машиностроение постоянно разрабатываются различные технологии, направленные на повышение долговечности пар трения. При этом учитываются материал поверхности пар трения, режимы работы деталей и свойства рабочей среды. Функциональное назначение некоторых систем и узлов определяет необходимость их эксплуатации в средах с низкими смазывающими свойствами. Поэтому повышение долговечности пар трения, работающих в таких средах, является важной задачей. Этого можно добиться за счет улучшения смазывающих свойств рабочей среды.

Целью данной работы является определение влияния биодизельного топлива и его композиций на техническое состояние плунжерных пар топливной аппаратуры.

Задачи:

провести ускоренные стендовые износные испытания топливной аппаратуры на выбранных образцах топлива;

проконтролировать процесс изменения технического состояния плунжерных пар топливного насоса при использовании в качестве рабочей среды биодизельного топлива и его различных композиций.

Методы исследования. Все эксперименты проводились с использованием биодизельного топлива

(метиловый эфир рапсового масла), которое по своим физико-химическим свойствам схоже с дизельным топливом и может быть использовано в дизелях без их переоборудования [2].

Исследования включали в себя проведение ускоренных стендовых износных испытаний ТНВД марки УТН-5 в соответствии с ОСТ 23.1-364-81 [4], разработанным в ЦНИТА. В качестве композиций были выбраны следующие образцы топлива:

ДЛ (топливо дизельное летнее) – кинематическая вязкость топлива при 20 °С, 4,4 мм2/с;

БД (биодизельное топливо) – кинематическая вязкость топлива при 20 °С, 8,5 мм2/с;

БД-75 (смесевое топливо, состоящее из 25% ДЛ и 75% БД) – кинематическая вязкость топлива при 20 °С, 7,3 мм2/с;

БД-50 (смесевое топливо, состоящее из 50% ДЛ и 50% БД) – кинематическая вязкость топлива при 20 °С, 5,9 мм2/с;

БД-25 (смесевое топливо, состоящее из 75% ДЛ и 25% БД) – кинематическая вязкость топлива при 20 °С, 4,5 мм2/с.

При испытаниях образцы топлива загрязнялись тонкими микропорошками кварца по ГОСТ 3647-80

зернистостью 3–14 мкм до концентрации 12,5 г/т, продолжительность опыта составляла 60 ч. Необходимая зернистость была получена путем соединения в одинаковой массовой пропорции порошков М5 (3–5 мкм), М7 (5–7 мкм), М10 (7–10 мкм) и М14 (10–14 мкм). Топливный насос марки УТН-5 комплектовался прецизионными деталями одинаковой гидравлической плотности, перед испытаниями в соответствии с действующими техническими условиями проводилась его регулировка. Через каждые 10 ч производился контроль изменения подачи топлива на пусковом и номинальном режиме работы ТНВД. При этом использовались эталонные форсунки.

Результаты исследований. Согласно принятой нами методике проведения ускоренных стендовых износных испытаний, в течение 60 ч топливный насос не подвергался разборке. Плунжерные пары не извлекались, так как это могло привести к нарушению первоначальных регулировок. Процесс изменения технического состояния плунжерных пар контролировался в течение всего эксперимента по рабочим показателям топливной аппаратуры. К этим показателям относится цикловая подача топлива на пусковом и номинальном режиме работы ТНВД. Такая оценка применяется на практике при ремонте топливной аппаратуры с целью выбраковки плунжерных пар, техническое состояние которых не отвечает заданным параметрам. Результаты износных испытаний представлены на рисунках 1 и 2.

Рис. 1. Изменение средней (по секциям) цикловой подачи топлива на номинальном режиме

Рис. 2. Изменение средней (по секциям) цикловой подачи топлива на пусковом режиме

Для анализа полученных данных воспользуемся коэффициентом стабильности ( λ ) и относительной интенсивностью изменения цикловой подачи топлива ( W ).

Коэффициент стабильности, предложенный в ЦНИТА, является наиболее приемлемым показателем снижения гидравлической плотности, который показывает уменьшение средней (по секциям) цикловой пода- чи на пусковой частоте вращения относительно ее первоначальной величины. Коэффициент стабильности определяется по выражению [5]

Л    q y . ср

qo. ср где qц ср — средняя (по секциям) цикловая пода на пусковом режиме, мм3/цикл;

q _o ср - средняя (по секциям) начальная цикловая подача на пусковом режиме при т = 0 , мм³/цикл;

Для номинального режима работы ТНВД воспользуемся относительной интенсивностью изменения цикловой подачи топлива w = aq4.ср ,

а -т q о. ср.

где A q_{y ср} - изменение средней (по секциям) подачи на номинальном режиме, мм³/цикл;

q _o ср — средняя (по секциям) начальная цикловая подача на номинальном режиме при т = 0 , мм ³ /цикл;

т - продолжительность испытания (60 ч).

Значения коэффициента стабильности цикловой подачи на пусковой частоте вращения и относительная интенсивность изменения цикловой подачи топлива на номинальном режиме представлены в таблице.

Результаты экспериментальных данных

Наименование показателя	Используемое топливо
	ДЛ	БД-25	БД-50	БД-75	БД
Коэффициент стабильности Л	0,484	0,631	0,673	0,715	0,741
Относительная интенсивность изменения цикловой подачи топлива W, с 1	0,390·10 -4	0,313·10 -4	0,276·10 -4	0,243·10 -4	0,222·10 -4

По полученным данным можно говорить о том, что с постепенным увеличением концентрации биодизельного топлива в смеси 25, 50, 75 и 100% происходит увеличение коэффициента стабильности на 23, 28, 32 и 35% соответственно, что свидетельствует о повышении гидравлической плотности плунжерных пар. Уменьшение относительной интенсивности изменения цикловой подачи топлива на номинальном режиме на 20, 29, 38 и 43% также свидетельствует об улучшении технического состояния плунжерных пар топливного насоса.

Такое снижение износа, на наш взгляд, происходит потому, что молекулы биодизельного топлива обладают дифильным строением, то есть содержат как полярную группу СОО , так и неполярный углеводородный радикал ( СН ₂) n или ( СН ₂) n _{+ 2} , что относит их к классу поверхностно-активных веществ (ПАВ). ПАВ способны образовывать моно- и полимолекулярные слои при их адсорбции на поверхности раздела фаз [1]. Благодаря этому, при работе топливной аппаратуры на ее прецизионных деталях образуется защитный слой. Этот защитный слой способствует уменьшению потерь на трение, снижает износ и предотвращает заедание пар трения [3], тем самым улучшая смазывающие свойства топлива.

Выводы

Представленные графически изменения цикловой подачи топлива на пусковой частоте вращения и номинальном режиме согласуются между собой и со значениями рассчитанных коэффициентов. При увеличении концентрации биодизельного топлива в смеси 25, 50, 75 и 100% возрастает коэффициент стабильности на 23, 28, 32 и 35% соответственно, что свидетельствует о повышении гидравлической плотности плунжерных пар. Снижение относительной интенсивности изменения цикловой подачи топлива на номинальном режиме на 20, 29, 38 и 43%, также свидетельствует о снижении интенсивности износа плунжерных пар топ- ливного насоса. В связи с этим можно сделать вывод, что применение биодизельного топлива позволяет улучшать смазывающие свойства рабочей среды плунжерных пар топливной аппаратуры.