Исследование работоспособности дизельной топливной аппаратуры в нетрадиционных условиях

Полный текст

Введение

К настоящему времени российскими и зарубежными учёными предлагается множество различных составов многокомпонентных смесевых топлив (МСТ) для использования в дизеле [1–4] в качестве моторных, а также методов высокотемпературного форсирования. Известно, что эффективные и экологические показатели работы ДВС напрямую зависят от правильности настройки топливоподающей аппаратуры (ТПА) и характера эксплуатации [5, 6]. Некачественная настройка ТПА влечёт рост затрат до 30...35%, сокращает ресурс самих ДВС в 1,5...2 раза, ухудшает показатели их работы.

В общем виде МСТ, включающее смесь дизельного топлива (ДТ), рапсового масла (РМ) и этанола (Э), характеризуется как микрогетерогенная грубодисперсная концентрированная эмульсия обратного типа — «вода в масле», у которой полярная дисперсная фаза находится в неполярной дисперсионной среде. Раздробленность дисперсной системы, связанная с увеличением поверхности раздела фаз, придаёт МСТ новые физико-химические и механические свойства, которые могут существенно повлиять на характеристики работы ТПА [7].

Высокотемпературный нагрев ДТ (свыше 100 °С) влечёт снижение его кинематической вязкости. Данное обстоятельство, несомненно, оказывает влияние на величину цикловой подачи топлива и неравномерности его подачи при изменении скоростного режима работы. Кроме того, увеличение теплонапряжённости деталей системы питания может вызвать нештатные ситуации, механические неисправности и поломки и, как следствие, снижение ресурса работы ТПА.

Соответственно, исследование работы ТПА на нетрадиционных топливах, а также в условиях термофорсирования ДТ представляет определённый научный интерес.

Цель и задачи

Цель — исследование работоспособности дизельной топливной аппаратуры в нетрадиционных условиях.

Для достижения цели было необходимо решить следующие задачи:

• разработать устройство для подогрева дизельного топлива на стенде для испытаний дизельной ТПА;
• определить характеристики работы дизельной ТПА на многокомпонентном топливе различного состава;
• определить характеристики работы дизельной ТПА на дизельном топливе без подогрева и с подогревом до 150 °С.

Методы исследования

Объектом исследований явился топливный насос высокого давления ЯЗДА-773-40.28 дизеля 4ЧН 11,5/12,0 (Д-245.5S2) в комплекте с четырёхдырчатыми форсунками закрытого типа 455.1112010-50 (ФД-22), с распылителем и гидравлически управляемой иглой, с диаметром распиливающих отверстий 0,32 мм. Исследовались работоспособность и характеристики работы ТПА при подаче подогретого ДТ и многокомпонентного смесевого топлива в условиях внешней скоростной характеристики.

В экспериментальном исследовании использовался стенд для регулировки дизельной топливной аппаратуры КИ-22210-02М-11 (рис. 1).

 

Рис. 1. Стенд для испытания топливной аппаратуры КИ-22210-02М-15.

Fig. 1. The bench for testing the KI-22210-02M-15 fuel injection equipment.

 

Испытания проводились согласно ГОСТ 10578-2020 [8] в два этапа.

На первом этапе использовалось чистое ДТ по ГОСТ 305-2013 без подогрева, с подогревом до 100 °С и с подогревом до 150 °С.

На втором этапе проводились сравнительные испытания работы на многокомпонентных составах смесевых топлив, включающих ДТ, РМ холодного отжима по ГОСТ-31759-2012 и спирт этиловый ректификованный по ГОСТ 5962-2013.

Многокомпонентные смесевые составы топлив приготавливались с помощью смесительной установки, кинематическая схема которой приведена на рис. 2 [9].

 

Рис. 2. Схема смесительной установки: а — вид спереди; b — разрез; 1 — корпус; 2, 3 — окна подачи основного (дизельного) и дополнительного топлив; 4 — окно для выхода МСТ; 5 — шнек; 6 — лопасти; 7 — перфорированный цилиндр.

Fig. 2. Layout of the mixing facility: а — front view; b — section; 1 — a body; 2, 3 — windows of supply of main (diesel) and additional fuel; 4 — a window for multicomponent mixed fuel output; 5 — an auger; 6 — vanes; 7 — a drilled cylinder.

 

Смесительная установка включала корпус, представляющий собой усечённый конус с окнами для подвода ДТ, Э и РМ, внизу которого расположено отверстие для выхода МСТ. В центре установлен вращающийся шнек с лопастями. Внутри шнека находится перфорированный цилиндр для перелива излишек топлив.

Во время работы смесительной установки ДТ поступает в окно 2, а Э и РМ — через окно 3. Шнек при вращении лопастями 6 смешивает компоненты, при этом МСТ начинает вращаться внутри. Одновременно МСТ перемещается к окну выхода 4. С учётом того, что объём МСТ на входе больше, чем на выходе, возникают излишки топлива. Эти излишки выдавливаются вращающимся шнеком 5 через отверстия перфорированного цилиндра 7, затем заново поступают к окнам входа.

Использовались следующие составы топлив: ДТ-100%, ДТ-70% + Э-15% + РМ-15%, ДТ-50% + Э-25% + РМ-25%. Определялись характеристики работы ТПА в условиях внешней скоростной характеристики при изменении частоты вращения от пусковой (100 мин^-1) до максимальной (1020 мин^-1).

Высокотемпературный подогрев дизельного топлива осуществлялся с использованием технического электрофена 3ТФ-2000ДК и изготовленного конфузора специальной конструкции, установленных на трубках высокого давления перед форсунками (рис. 3).

 

Рис. 3. Схема установки электрофена 3ТФ-2000ДК и конфузора.

Fig. 3. Scheme of installation of the 3TF-2000DK electric fan and a confuser.

 

Текущие показания температуры топлива фиксировались инфракрасным термометром Fluke 574 (рис. 4).

 

Рис. 4. Инфракрасный термометр Fluke 574.

Fig. 4. The Fluke 574 infrared thermometer.

 

Массовое содержание компонентов МСТ отмерялось на электронных весах, затем осуществлялось механическое диспергирование ингредиентов смеси на смесительной установке (см. рис. 2).

Перед началом испытаний проверялась исправность самого ТНВД и комплекта форсунок, плавность перемещения рейки; отсутствие течей топлива и правильность их регулировок [10].

Снималась внешняя скоростная характеристика ТНВД с включённым регулятором во всем скоростном интервале.

Замерялась цикловая подача топлива секциями насоса, определялась неравномерность подачи секциями. Характеристики распыливания топлива оценивались визуально. При проведении испытаний не допускались стуки, заедания рейки, местные нагревы свыше +80 °С.

Параметры процесса топливоподачи определялись и контролировались для всех скоростных режимов работы топливного насоса, однако оптимизировались они, прежде всего, для номинального режима, так как на других режимах их удаётся оптимизировать лишь частично [10].

Результаты и обсуждение

На рис. 5 приведена внешняя скоростная характеристика насоса ЯЗДА-773-40.28 при его работе на ДТ с подогревом.

 

Рис. 5. Внешняя скоростная характеристика ТНВД при работе на ДТ с подогревом.

Fig. 5. Full load curve of the high-pressure fuel pump when operating with diesel fuel with heating.

 

Анализ кривых показывает, что параметры работы насоса на чистом дизельном топливе соответствуют технической характеристике.

Подогрев дизельного топлива влечёт некоторое снижение величины средней цикловой подачи. Так, если значение цикловой подачи топлива ТНВД на номинальной частоте вращения его вала при n = 900 мин^-1 составляет q_ц= 0,090 мл/цикл, то при подогреве ДТ до 100 °С имеет место снижение значения подачи до q_ц= 0,088 мл/цикл.

Дальнейший подогрев топлива до 150 °С также вызывает снижение средней цикловой подачи до q_ц = 0,087 мл/цикл. Указанное обстоятельство возможно объяснить изменением физического объёма топлива вследствие подогрева. Изначально определено, что цикловая подача отдельно взятой секции неизменна. Примем во внимание, что возле форсунки ДТ подогрето до высокой температуры. После впрыскивания это топливо попадает в мерную ёмкость, далее остывает, в итоге ДТ принимает меньший объём [11, 12].

Параллельно изменению цикловой подачи ДТ происходит снижение её неравномерности, неравномерность подачи при номинальной частоте вращения падает от 5,9% (ДТ без подогрева) до 5,0% (ДТ подогрето до 150 °С).

Механических отказов в работе как форсунок, так и самого топливного насоса за время испытаний не наблюдалось, что означает сохранение показателей их надёжности и долговечности.

На рис. 6 приведена внешняя скоростная характеристика насоса ЯЗДА-773-40.28 при работе на ДТ и МСТ различного состава.

 

Рис. 6. Внешняя скоростная характеристика ТНВД при работе на МСТ.

Fig. 6. Full load curve of the high-pressure fuel pump when operating with multicomponent mixed fuel.

 

Анализ кривых показывает, что параметры работы насоса на чистом ДТ также соответствуют его технической характеристике.

Цикловая подача смесевого топлива, содержащего 15% Э и 15% РМ незначительно увеличивается на всех скоростных режимах работы в сравнении с работой на чистом ДТ. Величина цикловой подачи чистого дизельного топлива на номинальной частоте вращения вала ТНВД при n = 900 мин^-1 составляет q_ц = 0,090 мл/цикл, а цикловая подача МСТ, содержащего Э-15% и РМ-15% q_ц = 0,092 мл/цикл. Однако на пусковой частоте вращения при n = 100 мин^-1, на минимальной частоте вращения холостого хода при n = 300 мин^-1 имеет место снижение цикловой подачи МСТ в сравнении с работой на чистом ДТ. Это обстоятельство можно объяснить следующим образом. При малых частотах преобладающее действие оказывает рост утечек через неплотность плунжерных пар, а при возрастании частоты — увеличение вязкости и плотности МСТ [13].

Рост же концентрации Э и РМ до 25% вызывает увеличение интенсивности отмеченных процессов. Соответственно, и на пусковой частоте вращения, и на минимальной частоте вращения холостого хода снижение цикловой подачи МСТ в сравнении с ДТ ещё заметнее.

Неравномерность подачи чистого ДТ при номинальной частоте вращения составляет 5,7%, для МСТ, содержащего Э-15% и РМ-15%, значение равно 5,0%, для МСТ, содержащего Э-25% и РМ-25%, соответственно, 4,8%.

Неисправностей работы на МСТ самого ТНВД, а также деталей топливоподающей аппаратуры за время испытаний не наблюдалось.

Выводы

1. Высокотемпературный подогрев дизельного топлива незначительно снижает значение её цикловой подачи, что может быть компенсировано изменением активного хода плунжера.
2. Применение многокомпонентных смесевых топлив не изменяет показатели работы дизельной топливной аппаратуры.
3. Работа дизельной топливной аппаратуры на подогретом топливе и многокомпонентных смесевых топливах не снижает показателей её надёжности и долговечности.
4. Представляет научный интерес исследование работы дизеля на МСТ и подогретом топливе в эксплуатационных условиях.

Дополнительная информация

Вклад авторов. С.А. Плотников — общее руководство, формулировка идеи, структурирование текста, утверждение финальной версии; Е.Г. Зыков — редактирование материалов экспериментальных исследований; Н.Ю. Кутергин — написание текста рукописи; Д.В. Плехов — редактирование текста рукописи; А.Н. Карташевич — теоретическая разработка материалов рукописи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Additional information

Authors’ contribution. S.A. Plotnikov — general guidance, formulation of the idea, structuring of the text, approval of the final version; E.G. Zykov — editing the experimental study materials; N.YU. Kutergin — writing the text of the manuscript; D.V. Plekhov — editing the text of the manuscript, A.N. Kartashevich — theoretical development of manuscript materials. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Об авторах

Сергей Александрович Плотников

Вятский государственный университет (ВятГУ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: Plotnikovsa@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-8887-4591
SPIN-код: 4899-9362

д-р техн. наук, профессор кафедры «Технология машиностроения»

Россия, 610000, Киров, ул. Московская, д. 36

Евгений Георгиевич Зыков

Вятский государственный университет (ВятГУ)

Email: edgeki@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-9488-1820
SPIN-код: 6970-0947

аспирант кафедры «Технология машиностроения»

Россия, 610000, Киров, ул. Московская, д. 36

Николай Юрьевич Кутергин

Вятский государственный университет (ВятГУ)

Email: nik03071983@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0005-7096-9321
SPIN-код: 1065-5919

аспирант кафедры «Технология машиностроения»

Россия, 610000, Киров, ул. Московская, д. 36

Дмитрий Викторович Плехов

Вятский государственный университет (ВятГУ)

Email: WILDERHUND43@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0003-1851-2856

аспирант кафедры «Технология машиностроения»

Россия, 610000, Киров, ул. Московская, д. 36

Анатолий Николаевич Карташевич

Белорусская государственная сельскохозяйственная академия (БГСХА)

Email: Kartashevich@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3649-1521
SPIN-код: 8541-5330

д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Тракторы, автомобили и машины для природообустройства»

Белоруссия, Горки

Список литературы

Дополнительные файлы