Давление открытия форсунок дизельных двигателей

ВЛИЯНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЬНЫХ ФОРСУНОК НА ПРОЦЕСС ВПРЫСКА ТОПЛИВА

Керученко Л.С. 1 , Даманский Р.В. 2

1 ORCID: 0000-0002-4969-0343, кандидат технических наук, доцент, 2 ORCID: 0000-0002-3663-3630, аспирант, Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина

ВЛИЯНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЬНЫХ ФОРСУНОК НА ПРОЦЕСС ВПРЫСКА ТОПЛИВА

Аннотация

В статье приведен анализ результатов экспериментов для выявления возможных дефектов распылителей форсунки, от которых зависит эффективность работы дизельного двигателя. Описан процесс эксплуатации форсунок, приведены причины износа а так же их влияние на технические и экономические показатели дизеля. Рассмотрен анализ отказов распылителей, проведенный ГОСНИТИ. В данный анализ включены факторы, влияющие на изменение качества работы форсунки и на процесс впрыска. Описаны виды отказов и их связь с физико-химическими свойствами используемых топлив.

Ключевые слова: форсунка, гидравлическая плотность, распылитель, фактическая поверхность контакта, игла, корпус, уплотняющее сопряжение, деформация, износ, топливо.

Keruchenko L.S. 1 , Damanskiy R.V. 2

1 ORCID: 0000-0002-4969-0343, PhD in Engineering, 2 ORCID: 0000-0002-3663-3630, Postgraduate student, Omsk state agrarian University named after P.A. Stolypin

INFLUENCE OF FAULTS IN DIESEL INJECTION NOZZLES ON THE PROCESS OF INJECTION

Abstract

The article summarizes the results of experiments aimed at the detection of possible defects in injection nozzles which influence the efficiency of a diesel engine. The paper discusses the process of operation of the injector, the reasons of its wearing out as well as the impact on the technical and economic performance of the diesel engine. The article considers the failures of dispensers provided by GOSNITI. The analysis includes the factors affecting changes in the quality of work of the nozzle and the operation of the injector. We describe types of failure and their relationship with physical and chemical properties of fuels used.

Keywords: nozzle, hydraulic density, dispenser, actual contact surface, needle, body, sealing conjunction, deformation, wearing out, fuel.

Современное двигателестроение развивается по пути форсирования дизелей в таких параметрах, как среднее эффективное давление, частота вращения коленчатого вала двигателя и снижение вредных веществ при выбросе отработанных газов. Это направление связано с повышением требований к топливной аппаратуре дизелей, обеспечивающей давление впрыскивания топлива и, в частности, основного элемента форсунки – распылителя. Возникающие при этом высокие механические, гидродинамические и тепловые нагрузки, действующие в прецизионных сопряжениях, недостаточные смазывающие свойства и коксование топлива его плохая фильтрация приводят к существенному снижению эксплуатационных параметров и ресурса распылителей форсунок [1,2]. Для обоснования требований, относящим к дизельному топливу и совершенствованию конструкционных особенностей распылителей форсунок следует уяснить факторы, вызывающие те или иные повреждения распылителей форсунок и влияние этих дефектов, эксплуатационные параметры форсунок.

Дизельные двигатели являются основным энергетическим средством тракторов, комбайнов и другой техники, используемой в АПК России. Низкий ресурс распылителей форсунок требует проведения исследований, для обеспечения ресурса распылителей, сопоставимого с ресурсом других элементов форсунки.

И поэтому информация о дефектах распылителей форсунок и их влияние на работоспособность двигателя является исходной при решении задачи повышения ресурса распылителей, и всегда востребованной.

Анализ отказов распылителей форсунок, проведенный ГОСНИТИ [1] (рисунок 1), показывает, что отказы распылителей однотипны, однако распределение отказов у разных типов двигателей различно, что связано с конструктивными особенностями распылителя. Неисправность работы распылителей, тем или иным образом связаны, с физико-химическими свойствами, используемых топлив.

Рис. 1 – Виды отказов распылителей форсунок: 1 – нарушение подвижности иглы; 2 – ухудшение качества распыла; 3 – нарушение герметичности; 4 – изменение гидравлической плотности; 5 – износ в сопловых отверстиях; 6 – изменение размеров распыливающих отверстий

На рисунке 2 показаны характерные причины, связанные с качеством дизельного топлива, вызывающие отказы распылителей форсунок. Причины отказов разнообразны (рисунок 2). В цилиндрическом направляющем прецизионном сопряжении происходит износ поверхности иглы (её направляющей), по диаметру d_H и корпуса d_K, что способствует увеличению зазора, происходит нагарообразование на поверхностях деталей, что приводит к сужению зазора и нарушению подвижности иглы. В уплотняющем прецизионном сопряжении, под ударным воздействием иглы деформируются поверхностные слои посадочного гнезда корпуса и иглы. При воздействии высоких температур и прорыв газов произходит закоксовывание в отверстиях, а значит уменьшается их размеров и измененяется форма. [3]

Рис. 2 – Места нарушений, влияющие на параметры работы форсунок: А – полость подвода топлива; Б, Поверхность контакта седла и иглы соответственно;Г- отложение нагара; 1 – корпус распылителя; 2 – запорный конус распылителя; 3 – направляющая часть иглы распылителя; 4 – пружина форсунки

Износ направляющего прецизионного сопряжения и образование нагара на поверхностях деталей приводят к изменению исходных геометрических параметров деталей. При отсутствии нагарообразования в прецизионном сопряжении имеется зазор, который образуется случайным совпадением максимальных выступов механически обработанных деталей. При большом зазоре уменьшается цикловая подача топлива и угол опережения впрыскивания топлива, снижается гидравлическая плотность, а также уменьшается давление начала впрыска. При эксплуатации в дизеле со временем снижается давление при впрыскивании топлива форсунками в результате приработки поверхностей контакта деталей и потери упругости пружины. Наиболее интенсивное уменьшение давления происходит в течение первых 1000 мото-час. работы новой форсунки. В дальнейшем наблюдается более замедленное падение давления начала впрыскивания топлива. В результате экспериментальных исследований [3] установлено, что при отклонении давления начала впрыскивания от номинального значения на 6,0-7,0 МПа расход топлива возрастает на 20-25 %. Микрометрирование деталей форсунок, поступивших в ремонт показал, что основными причинами падения давления начала впрыскивания топлива у форсунок являются:

– износ пружины(чаще всего её крайних витков);

– износ сферической поверхности штанги, контактирующей с хвостовиком иглы распылителя;

– износ сопрягаемой опорной поверхности регулировочного винта;

– износ запирающего конуса корпуса распылителя.

Результаты полученных закономерностей дают рекомендации о необходимости проверки форсунок примерно через 500 мото-час. наработки и, так же необходимо, производить регулировки давления начала впрыскивания топлива. [2]

Распыливающие отверстия в корпусе распылителя закоксовываются в результат физико-химических процессов, происходящих в топливе при высоких температурах в носике распылителя. На интенсивность появления твердых отложений на поверхностях деталей влияют следующие факторы:

– химический состав топлива;

– изменение величины зазора между носиком распылителя и головкой дизеля;

– дополнительные впрыскивания топлива;

– уменьшение давления под иглой распылителя.

Закоксовывание распыливающих отверстий приводит к уменьшению проходного сечения распылителей. Вследствие этого через форсунки впрыскивается меньшее количество топлива, нарушается равномерность его подачи по цилиндрам.

Износ распыливающих отверстий в корпусе распылителя. Распыливающие отверстия характеризуются значением эффективного проходного сечения (μf). Зависимость изменения (μf) распылителей от их наработки представлена на рис. 3.

Рис. 3 – Изменение эффективного проходного сечения в зависимости от наработки

Анализ изменения μf в зависимости от наработки позволяет предположить, что на начальном этапе эксплуатации форсунок (примерно до 1500 мото-час.) значение проходного сечения распылителей уменьшается вследствие коксования распыливающих отверстий из-за наличия в топливе абразивных частиц. В результате увеличивается диаметр распыливающих отверстий, и повышается значение проходного сечения.

Негерметичность распылителя по запирающему конусу возникает вследствие гидроабразивного воздействия топлива. Твердые механические частицы, проникая вместе с топливом под иглу распылителя, вызывают образование рисок на поверхностях запирающего конуса иглы распылителя. Вследствие повышенного изнашивания этих поверхностей нарушается герметичность распылителя по запирающему конусу. [4]

В прецизионной паре «игла распылителя – корпус распылителя» величина зазора между сопрягающимися цилиндрическими поверхностями составляет 2,5-6,0 мкм. Такое конструктивное исполнение обеспечивает подвижность иглы распылителя в корпусе и гидроплотность распылителя.

Изменение зазора во время эксплуатации происходит посредством гидроабразивного изнашивания поверхностей корпуса и иглы распылителя. Износ обусловлен влиянием механических частиц, находящимся в топливе. Результатом этого является повышение утечки топлива в зазор между иглой и корпусом распылителя. [4]

Динамика изменения гидроплотности распылителей (ГП) в зависимости от наработки представлена на рис. 4.

Рис. 4 – Изменение гидравлической плотности в зависимости от наработки

Подвижность иглы оценивается качеством распыливания топлива. Зависание иглы распылителя может происходить в результате попадания мелких механических частиц. Это приводит к отсутствию впрыска топлива в цилиндры двигателя, в результате частота вращения коленчатого вала резко снижается, а в топливной системе образуются высокие давления, которые могут вызвать разрушения в деталях топливного насоса. [5]

Увеличение хода иглы распылителя. С целью обеспечения идентичности показателей впрыскивания в конструкциях форсунок жестко регламентируется ход иглы распылителя. Максимальный ход иглы распылителей тракторных дизелей колеблется в пределах 0,2-0,45 мм. Важным параметром распылителя форсунки является его гидравлическая характеристика, т.е. зависимость эффективного проходного сечения распылителя от хода иглы и распылителя. [1]

В процессе эксплуатации форсунок ход иглы распылителя увеличивается, что обусловлено износом корпуса форсунки в месте соприкосновения с запорным конусом.

Таким образом, основной элементом форсунки, техническое состояние которого существенно снижает технико-экономические показатели дизеля, является распылитель. С возрастанием наработки распылителей эксплуатационная мощность двигателя снижается и для стабилизации технико-экономических показателей двигателя необходимо произвести замену или ремонт распылителей форсунок.

Список литературы / References

1. Трелин А.А. Основные показатели технического состояния форсунок – давление начала впрыска, качество распыливания топлива, герметичность и пропускная способность / А.А. Трелин, К.В. Трелина // Труды ГОСНИТИ. –2007. Т. 99. – С. 61-63.
2. Файнлейб Б. Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей / Б. Н Файнлейб. // Справочное издание. Ленинград 1990. —352с.
3. Зеленихин А.И. Исследование процесса коксования сопловых отверстий распылителей при работе дизеля на бензодизельной смеси / А.И. Зеленихин. // – Ленинград: ОНТИ ЦНИТА, 1966. – Вып.29. – С.6-12.
4. Кукис В. С. Стабилизация регулировочных параметров форсунок форсированных дизелей / В.С. Кукис, В.А. Романов // Тр. Международного Форума по проблемам науки, техники и образования. – Москва: Академия наук о земле, 2005. – С. 110-111.
5. Лаврик А. Н. Анализ факторов, влияющих на закоксовывание сопловых отверстий распылителей топливных форсунок дизелей / А. Н. Лаврик, А. С. Теребов, В.Е.Лазарев // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин. – Челябинск: ЧВАИ, 2001.– С. 31–37.

Список литературы на английском языке / References in English

Основные неисправности дизельных двигателей

Основные неисправности дизельных двигателей

Двигатель не запускается:

• Подкачивающий насос не подает топливо
• Слишком ранний или поздний впрыск
• Неисправности форсунки
• Неисправные свечи накаливания
• Неисправности ТНВД

Потеря мощности двигателя:

• Слишком малая доза впрыска
• Повреждение распылителя
• Утечки топлива из трубок высокого давления

Стуки в двигатели:

• Слишком ранний впрыск
• Слишком большее давление открытия форсунок
• Люфт поршневых колец
• Износ поршневых или шатунных вкладышей
• Несоответствующая компрессия

• Слишком поздний впрыск топлива
• Низкое давление открытия форсунок
• Заклинивание иглы в распылителе
• Лопнувшая пружина форсунки
• Нагнетательный клапан ТНВД не закрывается
• Слишком низкая компрессия
• Если двигатель потерял в мощности, а в месте с тем увеличилась дымность выхлопа на повышенных оборотах, проверьте загрязненность воздушного фильтра

Неравномерная работа двигателя:

• Завоздушивание топливной системы
• «льющий» распылитель .Трещина в топливо-проводе высокого давления
• Лопнувшая пружина форсунки
• Повышенное давление открытия форсунки
• Износ газораспределительного механизма

Симптомы основных неисправностей дизелей

Запуск двигателя затруднен

• Износ нагнетательных элементов насоса высокого давления.
• Неправильный угол опережения подачи топлива в двигателе.
• Износ распылителей, вызывающий плохое распыление топлива.
• Низкое давление впрыска.
• Нехватка топлива перед насосом высокого давления из-за попадания воздуха в систему подачи топлива.
• Неисправности подкачивающего топливного насоса.
• Слишком малая доза топлива при запуске, вызванная неправильной работой регулятора. Загустение топлива зимой.
• Неисправны свечи накаливания.

Снижение мощности двигателя

• Износ прецизионных элементов топливного насоса высокого давления или регулятора.

Неправильная регулировка насоса или всережимного регулятора.

• Неправильный угол опережения впрыска.
• Износ или повреждение распылителей.
• Чрезмерное снижение давления впрыска.
• Недостаточное количество топлива, подаваемого системой нагнетания, из-за засорения топливного фильтра, недостаточной производительности подкачивающего топливного насоса или попадания воздуха в топливную систему.

Повышенный расход топлива

• Неверный угол опережения впрыска.
• Износ нагнетательных элементов насоса высокого давления.
• Неправильная регулировка насоса высокого давления.
• Износ или повреждение распылителей.
• Слишком большое снижение давления впрыска.
• Загрязнен воздушный фильтр.
• Утечка топлива.
• Недостаточная компрессия.

Черный дымный выхлоп

• Плохое смесеобразование в камере сгорания из-за нагара или неплотного закрытия клапанов.
• Поздний впрыск топлива.
• Плохое распыление топлива форсунками.
• Неверные зазоры в клапанах.
• Недостаточная компрессия.

Серый или белый дымный выхлоп

• Неверное опережение впрыска.
• Недостаточная компрессия.
• Пробита прокладка головки блока.
• Переохлаждение двигателя.

Жесткая работа двигателя

• Слишком ранний впрыск топлива.
• Большая разница между дозами топлива, впрыскиваемого в разные цилиндры двигателя.

Неправильная работа некоторых форсунок.

• Недостаточная компрессия.

• Неправильный угол опережения впрыска.
• Плохое распыление топлива форсунками (струя вместо «факела»).

Не развивается полная мощность двигателя

• Короткий ход у педали акселератора, неправильно отрегулирована тяга педали акселератора.
• Загрязнен воздушный фильтр.
• Воздух в системе питания.
• Повреждены топливопроводы.
• Неисправны крепления распылителей (форсунок).
• Распылители неисправны.
• Сбит угол опережения впрыска топлива.
• Неисправен топливный насос высокого давления.

Повышенный расход топлива

• Негермётична система питания.
• Забит топливопровод слива (от насоса к топливному баку).
• Высокие обороты холостого хода или же сбито опережение впрыска.
• Плохо работает двигатель.
• Неисправны распылители, неисправны форсунки.
• Неисправен топливный насос высокого давления.

Повышенный шум двигателя

• Загрязнения в системе питания, вследствие чего не работают распылители.
• Уплотнительные шайбы под распылителями отсутствуют или плохо установлены, распылитель слишком сильно (слишком слабо) завернут в головку цилиндров.
• Воздух в системе питания.

Неравномерная работа двигателя на холостом ходу

• Неправильно установлены обороты холостого хода.
• Затруднен ход педали акселератора.
• Ослаб топливопровод подачи топлива между топливным насосом высокого давления и топливным фильтром.
• Повреждена опорная пластина насоса высокого давления.
• Неисправности в подаче топлива.
• Неисправны распылители, неисправны форсунки.
• Неправильное опережение впрыска.

Колебания частоты оборотов коленчатого вала

• Износ регулятора оборотов.
• Разрегулирование или износ системы впрыска.
• Чрезмерное сопротивление перемещению элементов в системе регулирования.
• Попадание воздуха в топливную систему.
• Избыточное давление газов в картере.

Внезапная остановка двигателя

• Смещение угла опережения нагнетания (нарушение соединения насоса с приводом).
• Засорение топливного фильтра и нехватка топлива, подаваемого в насос.
• Отсутствие подачи топлива, вызванное повреждением топливного насоса высокого давления или подкачивающего насоса.
• Повреждение трубопровода впрыска.
• Износ и перекос поршня-разделителя, ротора или поршней насоса высокого давления.

Часто выходят из строя свечи накаливания

• Неисправны форсунки в соответствующих цилиндрах.

Невозможно заглушить двигатель

• Неисправен запорный электромагнитный клапан.
• Заклинил распылитель форсунки

Повышается уровень моторного масла в картере

• Течь через уплотнитель цепного или шестеренчатого привода насоса высокого давления.
• Закрытый клапан не пропускает воздух,в результате не происходит воспламенение топлива и всё что впрыскивает форсунка в цилиндр попадает в моторное масло.

Слабое торможение двигателем

• Засорены сливные топливопроводы.
• Неверно установлены ускоренные обороты холостого хода.

РЕМОНТ И ДИАГНОСТИКА ДИЗЕЛЬНЫХ ФОРСУНОК

Дизельная форсунка – узел топливной аппаратуры отвечающий за приготовление горючей смеси в камере сгорания. Основной функцией данного элемента является распыление топлива в определенный момент на определенный промежуток времени. Именно распылитель и является главной деталью форсунки.

Распылитель — это высокоточная в изготовлении деталь, состоящая из корпуса и запорной иглы. Индивидуально под каждый двигатель регулируется давление открытия иглы распылителя форсунки.

По назначению форсунки делятся на несколько типов, среди основных можно выделить следующие:

• для форкамерных двигателей;
• для двигателей с непосредственным впрыском;
• для двигателей с системой Common Rail.

Реже встречаются и другие типы.

Основные неисправности дизельных форсунок

Дизельная форсунка – важная составляющая топливной системы, поэтому ее неисправность может привести к последующему дорогостоящему ремонту самой топливной системы.

Такие признаки, как неравномерная работа двигателя и потеря мощности, сизый дым из выхлопной трубы, сильный стук, повышенный расход топлива — являются основными признаками неисправности форсунок. В отличие от механических форсунок, неисправность которых практически не влияет на пуск дизельного двигателя, поломка форсунки системы Common Rail зачастую является причиной невозможности завести мотор. Кроме этого, пьеза форсунки этого типа теряют гидроплотность, то есть способность определенное время удерживать необходимое давление в системе. Вместе форсунки имеют общее давление, и потеря гидроплотности даже одной из них снижает общее давление в системе. Если падение давления в топливной рампе будет меньше 130 бар – двигатель не запустится.

Наши услуги по диагностике и ремонту дизельных форсунок

Прежде чем приступить к ремонту, нужно провести электронную или механическую диагностику дизельных форсунок на специальном стенде. С помощью сканера или специального стенда можно проверить герметичность запорного конуса распылителя, давление начала впрыска топлива, обратки и качество распыления. На сегодняшний день «Дизель-Сервис» располагает, всем необходимым оборудованием для диагностики, регулировки и ремонта форсунок для различных легковых и грузовых автомобилей. Использование современного и высокоточного оборудования, строгое соблюдение стандартов поэтапным контролем качества ремонта позволяют нам качественно осуществлять ремонт дизельных форсунок. Своевременное обращение к нашим специалистам позволит избежать сложных ремонтных работ с двигателем и, как следствие, больших денежных затрат.

Примерный перечень предлагаемых работ и их стоимость:

• Диагностика дизельной форсунки с разборкой — от 500 руб. за ед.
• Диагностика форсунки на стенде — от 150 руб. за ед.
• Снятие и установка форсунки на двигатель — от 500 руб. за ед.
• Переборка и регулировка форсунки — от 450 руб. за ед.
• Замена распылителя с регулировкой — от 450 руб. за ед.

Дополнительную информацию и стоимость других работ Вы всегда сможете узнать, позвонив нам по телефону 8-985-644-77-25.

Система впрыска насос-форсунками

Система впрыска насос-форсунками является современной системой впрыска топлива дизельных двигателей. В отличии от системы впрыска Common Rail в данной системе функции создания высокого давления и впрыска топлива объединены в одном устройстве – насос-форсунке. Собственно насос-форсунка и составляет одноименную систему впрыска.

Применение насос-форсунок позволяет повысить мощность двигателя, снизить расход топлива, выбросы вредных веществ, а также уровень шума.

В системе на каждый цилиндр двигателя приходится своя форсунка. Привод насос-форсунки осуществляется от распределительного вала, на котором имеются соответствующие кулачки. Усилие от кулачков передается через коромысло непосредственно к насос-форсунке.

Устройство насос-форсунки

Конструкция насос-форсунки включает плунжер, клапан управления, запорный поршень, обратный клапан и иглу распылителя.

Плунжер служит для создания давления топлива. Поступательное движение плунжера осуществляется за счет вращения кулачков распределительного вала, возвратное – за счет плунжерной пружины.

Клапан управления предназначен для управления впрыском топлива. В зависимости от привода различают электромагнитный и пьезоэлектрический клапаны. Пьезоэлектрический клапан пришел на смену электромагнитному клапану. Пьезоэлектрический клапан обладает большим быстродействием. Основным конструктивным элементом клапана является игла клапана.

Пружина форсунки обеспечивает посадку иглы распылителя на седло. Усилие пружины при необходимости поддерживается давлением топлива. Данная функция реализуется с помощью запорного поршня и обратного клапана. Игла распылителя предназначена для обеспечения непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания.

Управление насос-форсунками осуществляет система управления двигателем. Блок управления двигателем на основании сигналов датчиков управляет клапаном насос-форсунки.

Принцип действия насос-форсунки

Конструкция насос-форсунки обеспечивает оптимальное и эффективное образование топливно-воздушной смеси. Для этого в процессе впрыска топлива предусмотрены следующие фазы:

• предварительный впрыск;
• основной впрыск;
• дополнительный впрыск.

Предварительный впрыск производится для достижения плавности сгорания смеси при основном впрыске. Основной впрыск обеспечивает качественное смесеобразование на различных режимах работы двигателя. Дополнительный впрыск осуществляется для регенерации (очистки от накопленной сажи) сажевого фильтра.

Работа насос-форсунки осуществляется следующим образом. Кулачек распределительного вала через коромысло перемещает плунжер вниз. Топливо перетекает по каналам форсунки. При закрытии клапана происходит отсечка топлива. Давление топлива начинает расти. При достижении давления 13 МПа игла распылителя, преодолевая усилие пружины, поднимается и происходит предварительный впрыск топлива.

Предварительный впрыск топлива прекращается при открытии клапана. Топливо переливается в питающую магистраль. Давление топлива снижается. В зависимости от режимов работы двигателя может осуществляться один или два предварительных впрыска топлива.

Основной впрыск производится при дальнейшем движении плунжера вниз. Клапан снова закрывается. Давление топлива начинает расти. При достижении давления 30 МПа, игла распылителя, преодолевая усилие пружины и давление топлива, поднимается и происходит основной впрыск топлива.

Чем выше давление, тем больше количества топлива сжимается и соответственно больше впрыскивается в камеру сгорания двигателя. При максимальном давлении 220 МПа впрыскивается наибольшее количество топлива, тем самым обеспечивается максимальная мощность двигателя.

Основной впрыск топлива завершается при открытии клапана. При этом падает давление топлива и закрывается игла распылителя.

Дополнительный впрыск выполняется при дальнейшем движении плунжера вниз. Принцип действия насос-форсунки при дополнительном впрыске аналогичен основному впрыску. Обычно производится два дополнительных впрыска топлива.