Снижение тепловой и гидродинамической нагруженности направляющего сопряжения «игла-корпус» распылителя

Направляющее прецизионное сопряжение является элементом распылителя форсунки дизеля, определяющим гидравлическую плотность, подвижность и устойчивость иглы при перемещении ее в корпусе. Запирающее прецизионное сопряжение выполняет функцию герметизации гидравлического тракта распылителя и топливной магистрали высокого давления в целом, отделяя их от внутрицилиндрового пространства. Работоспособность и ресурс прецизионных сопряжений распылителя форсунки в дизеле определяются особенностями теплового (температурой рабочих газов в цилиндре), гидродинамического (давлением топлива) и механического (пружиной форсунки) нагружений, обуславливающих изнашивание контактных поверхностей. Опыт эксплуатации отечественных дизелей свидетельствует, что до 75 % вышедших из строя распылителей имеют потерю гидравлической плотности вследствие преждевременного достижения предельного износа прецизионных сопряжений. Механические, температурные, монтажные деформации и повышенный износ вызывают нарушение соосности иглы и отверстия в корпусе и, как следствие, неустойчивое положение иглы распылителя, обусловленное появлением в направляющем сопряжении неуравновешенной радиальной силы N давления топлива. Эта сила, действуя в направляющем прецизионном сопряжении на иглу, вызывает непосредственный контакт поверхности иглы с поверхностью корпуса, износ которых вызван упругопластическим деформированием при трении. Повышение температуры распылителя сопровождается уменьшением зазора и утечек в направляющем прецизионном сопряжении вследствие неравномерного теплового расширения иглы и корпуса. Это приводит к увеличению давления впрыскивания топлива и площади его воздействия вследствие изменения геометрических параметров иглы при тепловом расширении. В итоге дополнительно (на 1 б %) повышается радиальная сила давления топлива, действующая на иглу, при увеличении температуры сопряжения на 60 % [1]. Очевидно, что уменьшение темпера-

Лазарев В.Е., Ломакин Г.В., Снижение тепловой и гидродинамической нагруженности Лазарев Е.А. направляющего сопряжения «игла-корпус» распылителя туры направляющего прецизионного сопряжения способствует снижению его гидродинамической нагруженности. В автотракторных дизелях применяются распылители форсунок с коротким (типа DLA) и удлиненным (типа DLLA) корпусами (по классификации фирмы Bosch).

Отличительными особенностями конструкции распылителей типа DLLA являются удаленное расположение направляющего прецизионного сопряжения от огневой поверхности головки блока цилиндров и уменьшенный диаметр выступающей части корпуса с целью снижения тепловоспринимающей поверхности. Такое расположение направляющего прецизионного сопряжения и изменение геометрии корпуса преследуют цель снижения тепловой нагруженности для повышения ресурса. Конструкция распылителей типа DLLA обладает рядом недостатков. Так, существенное снижение жесткости удлиненной выступающей части приводит к появлению трещин и уменьшению прочности корпуса, особенно в связи с тенденцией повышения давления впрыскивания топлива. Удлинение иглы усложняет технологию изготовления распылителя, а также затрудняет обеспечение надежной работы запирающего прецизионного сопряжения вследствие возможного перекоса иглы при движении. Уменьшение диаметра выступающей части корпуса вопреки ожиданиям не сопровождается радикальным снижением температуры в области распы-ливающих отверстий, а следовательно, не решает проблемы коксования топлива в них. Кроме того, уменьшение диаметра выступающей части корпуса затрудняет размещение повышенного числа распыливающих отверстий распылителя, что необходимо, например, при реализации наддува в дизелях с объемным способом смесеобразования.

Указанные недостатки конструкции удлиненного распылителя определяют необходимость совершенствования конструкции распылителя типа DLA, обладающего значительно более жестким коротким корпусом и относительно короткой иглой (рис. 1, а). Анализ конструкции распылителей типа DLA свидетельствует о наличии резервов в ее совершенствовании изменением геометрических параметров иглы и использованием элементов локального охлаждения. С учетом вышеизложенного для реализации повышенных давлений впрыскивания топлива в дизелях высокого форсирования авторами разработана оригинальная конструкция опытного распылителя типа DLA с модифицированными иглой и гидравлическим трактом корпуса (рис. 1, б).

Рис. 1. Штатный (а) и опытный (б) распылители типа DLA: 1 - корпус, 2 - игла, 3 - направляющее сопряжение,

4 - каналы в корпусе, 5 - полость корпуса, 6 - стержень иглы, 7 - запирающее сопряжение

Разработанная конструкция опытного распылителя типа DLA для высокофорсированных дизелей предусматривает при сохранении габаритных размеров корпуса реализацию следующих конструктивных решений.

• 1.    Уменьшение длины с 18 мм до 12 мм и диаметра с 6 мм до 4,5 мм направляющего сопряжения 3 иглы 2 и соответственно удаление его от огневой поверхности головки цилиндров способствует снижению радиальной силы в сопряжении.

• 2.    Увеличение диаметра стержня 6 иглы для сохранения ее жесткости.

• 3.    Развитие охлаждающей полости 5 в корпусе.

• 4.    Уменьшение хода иглы 2 с 0,45 мм до 0,30 мм для снижения пути трения в сопряжении.

• 5.    Увеличение числа топливоподводящих каналов с 4 до 5-6 для интенсификации локального охлаждения корпуса распылителя.

Расчет и конструирование

Изменение геометрических параметров иглы снижением радиальной силы в направляющем сопряжении уменьшает почти в 1,5 раза ее массу. Уменьшение массы иглы снижает ударную нагрузку на запирающее сопряжение 7, что положительно скажется на работоспособности последнего. Особенностью конструкции рассматриваемого распылителя является развитие системы внутреннего охлаждения с локализацией охлаждающих полостей в области направляющего прецизионного сопряжения при сохранении жесткости корпуса, позволяющей выдерживать высокий уровень давления впрыскивания топлива. Увеличение при этом тепловоспринимающей поверхности полости интенсифицирует отвод теплоты от иглы и корпуса распылителя в топливо, циркулирующее в полости охлаждения при впрыскивании.

Для оценки эффективности конструктивных решений по совершенствованию элементов распылителя типа DLA, широко распространенного в транспортных (тракторных и специального назначения) дизелях повышенной размерности 15/16, 15/18 и 15/20,5, выполнен сравнительный расчетный анализ температурного состояния штатного (производства ООО «ЧТЗ-УРАЛТРАК») и опытного распылителей типа DLA. В этих целях осуществлено компьютерное твердотельное трехмерное моделирование с последующим созданием конечно-элементных моделей исследуемых распылителей. Анализ температурного состояния распылителей выполнялся с использованием конечно-элементного моделирования в программном комплексе ANSYS с учетом граничных условий, определенных по методике, предложенной в работе [2]. Опытный распылитель представляет собой распылитель повышенной эффективности с реализацией основных конструктивных изменений, перечисленных выше по пунктам 1-4.

Результаты конечно-элементного анализа температурного состояния исследуемых распылителей, представленных на рис. 2, свидетельствуют о том, что уменьшение диаметра с 6 мм до 4,5 мм, длины с 18 мм до 12 мм направляющей иглы и развитие охлаждающей полости обеспечивают снижение тепловой и гидродинамической нагруженности направляющего сопряжения. При этом существенно снижается радиальная сила N в направляющем сопряжении, определенная расчетом по известному уравнению Т. Башты [3], во всем исследуемом диапазоне изменения среднего эффективного давления Ре дизеля (рис. 3, а).

Temperature °C

336,603

97,569

б)

Рис. 2. Твердотельные модели и температурное состояние распылителей: штатного (а) и опытного (б) с модифицированными иглой и гидравлическим трактом корпуса в дизеле 4ЧН15/20,5 (Ре = 0,90 МПа, п = 1250 мин"1)

Лазарев В.Е., Ломакин Г.В., Снижение тепловой и гидродинамической нагруженности Лазарев Е.А. направляющего сопряжения «игла-корпус» распылителя

На поверхности корпуса штатного распылителя выделяется протяженная зона с температурой в среднем 243 °C (рис. 2, а). Наибольшая температура (207 °C) на поверхности направляющего сопряжения распылителя наблюдается на расстоянии от входа в зазор, равном его диаметру. Максимальная температура запирающего сопряжения составляет в среднем по поверхности 233 °C. Характер распределения теплового потока обусловлен размерами и расположением сопряжения, числом наклонных топливоподводящих каналов и размерами полости охлаждения в корпусе. Уменьшение диаметра и длины направляющей иглы, развитие охлаждающей полости в корпусе приводят к снижению температуры направляющего сопряжения опытного распылителя в среднем по поверхности на 40 °C. Температура поверхности запирающего сопряжения опытного распылителя в сравнении со штатным распылителем при этом изменяется несущественно.

Изменение геометрических параметров иглы и размеров полости охлаждения позволит воздействовать на температуру направляющего сопряжения, а уменьшение температуры запирающего сопряжения можно обеспечить тепловой защитой, например, заградительным экранированием [4] корпуса распылителя (рис. 3, б). Это сделает возможным сохранить температуру запирающего прецизионного сопряжения не выше 145 °C, что существенно улучшит условия его работы вследствие поддержания механических свойств материала на приемлемом уровне. Увеличение диаметра стержня иглы несколько уменьшает дифференциальную площадку иглы. Это дает возможность снизить усилие затяжки пружины форсунки для обеспечения начала подъема иглы при уровне давления топлива, аналогичном таковому у штатного распылителя. Уменьшение усилия затяжки пружины форсунки и массы иглы опытного распылителя способствует снижению ударной нагрузки в запирающем прецизионном сопряжении при посадке иглы на седло и, следовательно, снижению изнашивания контактирующих поверхностей.

• а)                                                             б)

Рис. 3. Зависимость радиальной силы N, среднего давления Pi впрыскивания топлива от нагрузки дизеля 4ЧН15/20,5 при п = 1250 мин"1 (а) и температура t игл распылителей при Ре = 0,80 МПа (б);

--штатный,-------штатный с тепловой защитой,  - опытный

Использование заградительного экранирования корпуса снижает температуру направляющего прецизионного сопряжения игла-корпус в штатном распылителе на 25 °C, а запирающего прецизионного сопряжения - на 78 °C. Выполненный анализ температурного состояния опытного распылителя позволяет рекомендовать его для применения в форсированных транспортных дизелях с повышенным давлением впрыскивания топлива.

Представленная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.».

Расчет и конструирование