В процессе эксплуатации дизеля происходит износ прецизионных сопряжений топливной аппаратуры (ТА), изменяются геометрические размеры деталей, зазоры в прецизионных парах. Одной из причин снижения удельных показателей дизеля в эксплуатации — уменьшения экономичности и повышения токсичности отработавших газов — является увеличение по причине износа зазоров между деталями топливной аппаратуры в плунжерной паре и распылителе [1–4].

При использовании в дизельных двигателях альтернативных топлив с вязкостными характеристиками, отличными от нефтяных топлив, важность оценки утечек топлива в топливной аппаратуре и влияния на рабочий процесс и эффективность использования теплоты в цикле является несомненной [5–8].

Для численного исследования утечек топлива принят метод гидродинамического расчёта классической разделённой системы впрыскивания топлива (рис. 1) [9–10].

Численное исследование показателей тепловыделения дизеля от зазора прецизионных элементов топливной аппаратуры. 2/2019. Фото 1

В полости насоса высокого давления утечки топлива имеют место по зазорам направляющей части плунжера в отсечное Qоо и наполнительное Qно отверстия, а также по компрессионной части Qк; в полости форсунки утечки топлива наблюдаются по направляющей части иглы форсунки Qуф [9].

Утечки топлива через зазоры в поршневой (компрессионной) части плунжера:

Численное исследование показателей тепловыделения дизеля от зазора прецизионных элементов топливной аппаратуры. 2/2019. Фото 2

Утечки топлива в наполнительное отверстие:

Численное исследование показателей тепловыделения дизеля от зазора прецизионных элементов топливной аппаратуры. 2/2019. Фото 3

Утечки топлива в отсечное отверстие:

Численное исследование показателей тепловыделения дизеля от зазора прецизионных элементов топливной аппаратуры. 2/2019. Фото 4

где рв, ро и рн1 — давление топлива, соответственно, в наполнительной и отсечной магистрали и в полости над плунжером в начале расчётного интервала; δп — зазор в компрессионной части плунжера;

ν и ρ — динамическая вязкость и плотность топлива; dп и lп — диаметр плунжера и длина компрессионной части плунжера; nв и nо — количество наполнительных и отсечных отверстий; h — ход плунжера; hв — расстояние от нагнетательной кромки до нижней кромки наполнительного отверстия; hо — длина золотниковой части плунжера под отсечным отверстием; rв и rо — радиусы наполнительного и отсечного отверстий; βв и βо — углы наклона нагнетательной и отсечной кромки плунжера к его оси.

Утечки топлива через зазор между иглой и корпусом распылителя:

Численное исследование показателей тепловыделения дизеля от зазора прецизионных элементов топливной аппаратуры. 2/2019. Фото 5

где dи и lи — диаметр и длина компрессионной части иглы; δи — зазор между иглой и корпусом распылителя; рф1 — давление в кармане корпуса распылителя в начале расчётного интервала времени.

Для анализа тепловыделения и индикаторного КПД поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) использован метод [11–13], апробированный на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания» АлтГТУ, в соответствии с которым индикаторный КПД ηi представляет собой разность относительного количества располагаемой теплоты, введённой в цикл, и долей потерянной ΔХнп и неиспользуемой δi теплоты в цикле:

ηi = 1 – ΔХнп – δэ – δнс – δк – δw, (5)

где неиспользование теплоты δi определяется по уравнению непосредственной связи индикаторного КПД с характеристиками выделения и отвода теплоты от рабочего тела, которые описывают одну из сторон внутрицилиндровых процессов: выгорания топлива, теплообмена, диссоциации и пр., и выражается коэффициентами неиспользования теплоты δэ, δнс, δк = δс + δt и δw, соответственно: в эталонном цикле, от несвоевременности ввода [11], переменности состава и температуры рабочего тела, по причине отвода теплоты по ходу развития цикла [12–13].

Расчётно-экспериментальные исследования проводились применительно к топливной аппаратуре типа ТН 10×10 дизеля размерностью 13/14 [7].

Численное исследование показателей тепловыделения дизеля от зазора прецизионных элементов топливной аппаратуры. 2/2019. Фото 6

Наибольшие утечки в плунжерной паре (более 95 %) наблюдаются в наполнительное и отсечное отверстия и лишь менее 5 % — через компрессионную часть плунжера (рис. 2). Наибольшая скорость утечек наблюдается в момент впрыска и продолжается в течение 8–10° п.к.н. Утечки через компрессионную часть плунжера уменьшаются с увеличением её длины и могут быть практически устранены введением аккумулирующего объёма в виде кольцевых канавок. Утечки топлива через зазор между иглой и корпусом распылителя форсунки очень незначительны и составляют сотые доли процента от общего объёма утечек. С увеличением зазора в плунжерной паре (рис. 2) утечки резко возрастают. Следует отметить, что износ плунжерной пары происходит неравномерно, даже при небольшом среднем зазоре утечки могут достигать значительных величин.

Увеличение диаметра плунжера приводит к относительному уменьшению площади зазора и, соответственно (при неизменной цикловой подаче топлива), к снижению доли утечек при одновременном росте динамики впрыска — увеличивается давление и сокращается продолжительность впрыска.

С увеличением относительной величины суммарных утечек топлива qу (рис. 3) наблюдается запаздывание угла начала подачи топлива Δ нв, уменьшение максимального Pф.max и среднего Рф.ср давлений и, соответственно, объёмной скорости впрыскивания, увеличение продолжительности подачи топлива в.пр (при сохранении цикловой порции топлива, поданной в цилиндр). Следует отметить, что при достижении относительной величины утечек более 15 % объёмная скорость поступления топлива в форсунку снижается настолько, что возможна промежуточная посадка иглы форсунки и дробный впрыск топлива. Отмеченное явление приводит к дополнительному увеличению продолжительности впрыскивания топлива, снижению давления и, соответственно, динамики впрыскивания топлива.

Численное исследование показателей тепловыделения дизеля от зазора прецизионных элементов топливной аппаратуры. 2/2019. Фото 7

На рис. 4 показано изменение параметров тепловыделения и баланса теплоты в зависимости от суммарных утечек топлива при условии сохранения неизменными угла начала подачи топлива нв и цикловой порции топлива qц, поданной в цилиндр. Рост тепловыделения в диффузионной фазе в более поздний период относительно верхней мёртвой точки (ВМТ) приводит к значительному увеличению коэффициентов, определяемых несвоевременностью ввода теплоты δнс на 1,5 % и её неполнотой Δнп на 1 %. Другие коэффициенты не претерпевают существенных изменений. В целом, увеличение утечек топлива qу до 30 % вызывает падение индикаторного КПД ηi на 0,02, что составляет более 4,5 % от его величины.

Численное исследование показателей тепловыделения дизеля от зазора прецизионных элементов топливной аппаратуры. 2/2019. Фото 8

С увеличением утечек топлива qу до 30 % одновременно происходит запаздывание угла начала впрыска топлива нв (рис. 3). Такое изменение характеристики впрыска приводит к снижению среднего индикаторного давления Pi, индикаторного КПД ηi, что вызвано значительным ростом коэффициентов несвоевременности dнс и неполноты Δнп ввода теплоты, соответственно, на 2,5 % и 1,5 % (рис. 5). В целом, индикаторный КПД ηi снижается на 0,037, что составляет почти 8 % к уровню его начального значения. Итак, увеличение утечек топлива до 30 % по отношению к цикловой порции даже при их компенсации увеличением активного хода плунжера приводит к снижению индикаторной экономичности на 8 %.

Численное исследование показателей тепловыделения дизеля от зазора прецизионных элементов топливной аппаратуры. 2/2019. Фото 9

Итак, численным методом исследовано влияние утечек топлива через зазоры в прецизионных деталях топливной аппаратуры на параметры впрыска, рабочего процесса и индикаторный КПД. Установлена количественная и качественная связь величины утечек в прецизионных элементах и параметров рабочего процесса дизеля, эффективности использования теплоты в цикле: наличие утечек вызывает снижение относительной скорости впрыска топлива, рост коэффициентов несвоевременности δнс и неполноты Δнп ввода теплоты, что определяет снижение индикаторного КПД ηi на 8 %. Целесообразно выполнять оценку утечек топлива в топливной арматуре, изменения параметров рабочего процесса и эффективности использования теплоты в цикле при переводе двигателя на альтернативные топлива [6, 8, 14] для разработки эффективных конструктивных и технологических мероприятий [15].