Пенза, Пензенская область, Россия
Димитровград, Ульяновская область, Россия
Ульяновск, Ульяновская область, Россия
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
ОКСО 35.06.04 Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве
Цель исследования – теоретически обосновать изменение кольцевого зазора плунжерных пар топливного насоса высокого давления (ТНВД) в зависимости от содержания рыжикового масла (РыжМ) в смесевом рыжико-минеральном топливе. Долговечность плунжерных пар топливного насоса высокого давления (ТНВД) зависит от интенсивности износа сопряжения плунжер-втулка. Предельный износ плунжер-ной пары характеризуется увеличением зазора между плунжером и втулкой до критического (максимального) кольцевого зазора, при котором плунжерная пара не может обеспечить нормативную цикловую подачу топлива вследствие превышения допустимых значений утечек топлива в кольцевой зазор между плунжером и втулкой. В первую очередь это касается режима пуска двигателя и режимов, на которых он работает на малых оборотах коленчатого вала. Получены аналитические выражения, позволяющие определить утечки топлива через кольцевой зазор между плунжером и втулкой ТНВД. Рассчитан критический кольцевой зазор между плунжером и втулкой при работе на топливах с различными физическими свойствами. Применение дизельного топлива, в состав которого входит рыжиковое масло, повышающее его вязкость и плотность, приводит к увеличению критического кольцевого зазора между плунжером и втулкой по сравнению с работой ТНВД на товарном минеральном дизельном топливе (ДТ). Установлено, что при работе ТНВД на смесевом рыжико-минеральном топливе состава 50% ДТ + 50% РыжМ критический кольцевой зазор в сопряжении плунжер-втулка составляет 19,8 мкм, а изменение критического кольцевого зазора – 15 мкм, что больше, чем при работе на товарном минеральном ДТ соответственно в 1,5 раза (12,9 мкм) и 1,8 раза (8,1 мкм). Полученные результаты показывают, что при использовании смесевого рыжико-минерального топлива возможно увеличение работоспособности плунжерных пар по сравнению с работой ТНВД на товарном минеральном ДТ.
дизель, насос, пара, зазор, топливо, кольцевой, дизельное, смесевое минеральное
Долговечность плунжерных пар топливного насоса высокого давления (ТНВД) зависит от интенсивности износа сопряжения плунжер-втулка. Предельный износ плунжерной пары характеризуется увеличением зазора между плунжером и втулкой до критического (максимального) кольцевого зазора, при котором плунжерная пара не может выполнять свои функции, а именно не может обеспечить нормативную цикловую подачу топлива вследствие превышения допустимых значений утечек топлива в кольцевой зазор между плунжером и втулкой. В первую очередь это касается режима пуска двигателя и режимов, на которых он работает на малых оборотах коленчатого вала [1-3].
Цель исследования – теоретически обосновать изменение кольцевого зазора плунжерных пар топливного насоса высокого давления в зависимости от содержания рыжикового масла в смесевом рыжико-минеральном топливе.
Задачи исследования: определить влияние смесевого топлива на объем утечек через кольцевой зазор между плунжером и втулкой плунжерной пары ТНВД; рассчитать изменение критического кольцевого зазора между плунжером и втулкой в зависимости от содержания рыжикового масла в смесевом рыжико-минеральном топливе.
Материалы и методы исследований. Объемную цикловую подачу топлива (qц) можно определить по формуле:
где Vп – объем вытесняемого топлива из надплунжерного пространства насосных секций ТНВД в такте нагнетания за рабочий цикл, м3 /цикл; Vу – объем утечек топлива через зазор плунжерной пары при нагнетании топлива за рабочий цикл, м3/цикл.
Объем вытесняемого топлива из надплунжерного пространства насосной секции ТНВД за один цикл составляет
где dвт – диаметр втулки плунжерной пары, м; hак – активный ход плунжера, м.
Объем утечек топлива через зазор плунжер-втулка в такте нагнетания топлива за один цикл равен
, м3/цикл, (3)
где δ – кольцевой зазор между плунжером и втулкой, м; Рп – давление топлива в надплунжерном пространстве, Па; Рг – давление топлива в наполнительной полости ТНВД, Па; ν – кинематическая вязкость топлива, м2/с; ρт – плотность топлива, кг/м3; lвт – длина зазора в направлении утечек (длина втулки плунжерной пары), м; τак – время активного хода плунжера, с.
Из анализа формулы (3) следует, что при неизменных геометрических размерах плунжерной пары (dвт, lвт) и давлениях топлива (Рп, Рг) основными параметрами, влияющими на объем утечек топлива, являются начальный кольцевой зазор (δ) и физические свойства топлива (ν, ρт).
При одном и том же кольцевом зазоре, но при работе ТНВД на топливах с различными физическими свойствами утечки топлива через зазор сопряжения плунжер-втулка будут различными по объему. Если учесть, что объем максимально допустимых утечек (Vу.кр) величина постоянная и не зависит от вида топлива, то при изменении физических свойств топлива будет изменяться величина критического кольцевого зазора (δкр).
Преобразовав формулу (3), можно определить критический кольцевой зазор при работе ТНВД на различных видах топлива:
. (4)
С увеличением доли рыжикового масла, добавляемого в товарное минеральное дизельное топливо, повышается вязкость и плотность смесевого топлива, что ведет за собой увеличение давления в надплунжерном пространстве насосных секций ТНВД [4-6], [12].
Давление топлива в надплунжерном пространстве в такте нагнетания складывается из давлений:
, Па, (5)
где Рд 
– потери давления топлива по длине в нагнетательном топливопроводе высокого давления, Па; Рц – давление газов в цилиндропоршневой полости дизеля, Па; Рв – давление начала впрыска топлива, Па.
При изменении содержания рыжикового масла в смесевом топливе изменяются потери давления по длине нагнетательного трубопровода:
,
Па, (6)
где 
λт – коэффициент гидравлического трения; Q 
– расход топлива за время движения плунжера в такте нагнетания, м³/с; lтп 
– длина нагнетательного топливопровода, м; dтп – внутренний диаметр нагнетательного топливопровода, м.
Выразив расход топлива за время движения плунжера в такте нагнетания через цикловую подачу , и, подставив формулу (6) в (5), получим
, Па, (7)
где ʋср – средняя скорость движения плунжера ТНВД, м/с.
Учитывая, что характер движения жидкости в нагнетательном топливопроводе носит турбулентный характер,
, (8)
где Re – число Рейнольдса, определяемое по формуле
, (9)
где ʋT – скорость движения топлива в нагнетательном топливопроводе, м/с; dтп – внутренний диаметр нагнетательного топливопровода, м.
Скорость движения топлива (ʋT) в нагнетательном топливопроводе высокого давления определим из уравнения неразрывности потока топлива
, (10)
где Sп, Sт – соответственно площадь поперечного сечения втулки плунжерной пары и трубопровода высокого давления, м2.
Подставив в формулу (4) формулы (5-10), получим
. (11)
За нормативный срок эксплуатации дизеля диаметр втулки плунжерной пары (dвт) и активный ход плунжера (hак) изменяются незначительно, в то время как утечки топлива, связанные с увеличением кольцевого зазора (δ) между плунжером и втулкой на величину Δδи вследствие износа плунжерной пары, а также с учетом увеличения кольцевого зазора ΔδP при повышении давления топлива в надплунжерном пространстве насосных секций ТНВД, существенно увеличиваются.
При достижении критического кольцевого зазора (δкр), при котором утечки топлива превышают максимально допустимые объемы (Vу.кр), плунжерную пару выбраковывают. При этом критический кольцевой зазор в сопряжении плунжер-втулка будет равен:
, (12)
где δ – начальный кольцевой зазор между плунжером и втулкой плунжерной пары, м.
Из формулы (12) определим максимальную величину увеличения зазора вследствие износа плунжера и втулки
, м. (13)
Изменение зазора ΔδP можно рассчитать методом расчета А. В. Гадолина
(14)
Решая совместно уравнения (14) и (7), получим следующее выражение
(15)
где Е – модуль упругости материала (принимаем Е=2·1011 Па), Па; rн и rв 
– соответственно наружный и внутренний радиусы втулки и плунжера, м; μ – коэффициент Пуассона для материала втулки.
Анализ формул (7) и (15) показывает, что при повышении процентного содержания рыжикового масла в смесевом топливе увеличивается давление топлива в надплунжерном пространстве насосных секций ТНВД, а также кольцевой зазор в сопряжении плунжер-втулка, что ведет к увеличению размера абразивных частиц, попадающих между плунжером и втулкой, а также к увеличению силы давления топлива на частицу, зажатую между плунжером и втулкой при обратном ходе плунжера. В то же время, за счет того, что вязкость смесевого топлива выше минерального дизельного топлива, это приводит к снижению утечек топлива и количества абразивных частиц, попадающих с топливом в кольцевой зазор плунжерной пары. Кроме того, наличие в минеральном дизельном топливе рыжикового масла улучшает смазывающие свойства смесевого топлива. Следовательно, в совокупности вышеизложенные факторы будут способствовать снижению абразивного изнашивания плунжерной пары и повышению работоспособности ТНВД.
Учитывая, что плунжерная пара должна обеспечивать нормативную цикловую подачу топлива с учетом утечек через зазор плунжер-втулка, а при регулировке ТНВД на стенде возможно увеличивать объем вытесняемого топлива из надплунжерного пространства насосных секций (Vп) до определенной величины, то для обеспечения требуемой цикловой подачи (qц) должно выполняться следующее условие:
qц ·10-9 ≥ Vп -Vу . (16)
При невыполнении условия (16) плунжерную пару выбраковывают.
Примем объем вытесняемого топлива из надплунжерного пространства насосных секций (Vп) и цикловую подачу топлива (qц) постоянными величинами, тогда допустимый объем утечек топлива (Vу.кр) составит:
Vу.кр≤ Vп- qц ·10-9. (17)
Зная скорость движения плунжера, можно определить критический расход топлива через кольцевой зазор плунжерной пары:
, м3/с. (18)
Подставив в формулу (13) формулы (11, 14 и 18), получим допустимое увеличение кольцевого зазора вследствие износа деталей плунжерной пары:
. (19)
Результаты исследований. На основании расчетов по формуле (11) построили графическую зависимость критического кольцевого зазора от процентного содержания рыжикового масла в смесевом рыжико-минеральном топливе (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость критического кольцевого зазора в сопряжении плунжер-втулка от процентного содержания
рыжикового масла в смесевом рыжико-минеральном топливе
Анализируя полученную зависимость, можно сделать вывод о том, что применение дизельного топлива, в состав которого входит рыжиковое масло, повышающее его вязкость и плотность, приводит к увеличению критического кольцевого зазора между плунжером и втулкой плунжерной пары (δкр), по сравнению с работой ТНВД на товарном минеральном дизельном топливе. Так, при работе ТНВД на минеральном дизельном топливе критический кольцевой зазор составляет
12,9 мкм, а на рыжиковом масле – 31,7 мкм.
На основании расчетов по формуле (19) построили графическую зависимость (рис. 2) изменения критического кольцевого зазора от процентного содержания рыжикового масла в смесевом рыжико-минеральном топливе.
Рис. 2. Изменение критического кольцевого зазора в сопряжении плунжер-втулка от процентного содержания рыжикового масла в смесевом рыжико-минеральном топливе
Из анализа рисунка 2 следует, что при работе ТНВД на товарном минеральном дизельном топливе изменение критического кольцевого зазора между плунжером и втулкой (Δδи) составляет 8,1 мкм, а при работе на смесевом топливе 50%ДТ + 50%РыжМ – 15 мкм.
Для работы дизелей автотракторной техники на смесевом топливе авторами разработаны двухтопливные системы питания и смесители минерального топлива и растительного масла [7-11].
Заключение. Теоретическими исследованиями установлено, что при работе ТНВД на смесевом рыжико-минеральном топливе и с увеличением доли рыжикового масла в товарном минеральном дизельном топливе уменьшаются утечки смесевого топлива через кольцевой зазор между плунжером и втулкой по причине повышения вязкости и плотности. При работе ТНВД на смесевом топливе, например состава 50%ДТ + 50%РыжМ, критический кольцевой зазор в сопряжении плунжер-втулка составляет 19,8 мкм, а изменение критического кольцевого зазора – 15 мкм, что больше, чем при работе на товарном минеральном дизельном топливе соответственно в 1,5 раза (12,9 мкм) и в 1,8 раза (8,1 мкм). Полученные результаты теоретических расчетов показывают, что использование смесевого рыжико-минерального топлива способствует повышению работоспособности плунжерных пар ТНВД по сравнению с работой на товарном минеральном дизельном топливе.
1. Уханов, Д. А. Снижение износа плунжерных пар ТНВД применением смесевого рапсово-минерального топлива : монография / Д. А. Уханов, А. П. Уханов, Е. Г. Ротанов, А. С. Аверьянов. - Пенза : РИО ПГАУ, 2017. - 185 с.
2. Влияние дизельного смесевого топлива на износ плунжерных пар ТНВД / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, Е. Г. Ротанов, А. С. Аверьянов // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2011. - №3. - С. 105-108.
3. Уханов, А. П. Снижение износа плунжерных пар ТНВД в результате применения рационального соста-ва дизельного топлива / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, Е. Г. Ротанов // Технология колесных и гусеничных ма-шин. - 2015. - №2 (18). - С. 46-51.
4. Болдашев, Г. И. Использование альтернативных топливо-смазочных материалов в автотракторной технике : монография / Г. И. Болдашев, А. П. Быченин, О. С. Володько. - Кинель : РИО Самарской ГСХА, 2017. - 169 с.
5. Уханов, А. П. Физические свойства рыжиково-минерального топлива / А. П. Уханов, А. А. Хохлов, А. Л. Хохлов [и др.] // Международный научно-исследовательский журнал. - 2017. - № 5-3 (59). - С. 124-128.
6. Сидоров, Е. А. Оценка жирнокислотного состава растительных масел и дизельных смесевых топлив на основе рыжика, сурепицы и льна масличного / Е. А. Сидоров, А. П. Уханов, О. Н. Зеленина // Известия Са-марской ГСХА. - 2013. - № 3. - С. 49-54.
7. Уханов, А. П. Адаптация тракторного дизеля к работе на смесевом топливе / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, Е. А. Хохлова // Тракторы и сельхозмашины. - 2013. - № 10. - С. 14-16.
8. Устройства для конструктивной адаптации дизелей автотракторной техники к работе на биоминераль-ном топливе / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, Е. А. Хохлова, А. А. Хохлов // Известия Самарской ГСХА. - 2016. - Вып.2. - С. 34-39.
9. Уханов, А. П. Дизельное смесевое топливо: проблемы и инновационные разработки / Д. А. Уханов, И. Ф. Адгамов // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2016. - Т. 1, № 2. - С. 46-51.
10. Пат. 2484291 Российская Федерация, МПК F 02 М 43/00. Двухтопливная система питания дизеля / Уханов А. П., Уханов Д. А., Година Е. Д., Хохлова Е. А. - № 2012117807/06 ; заявл. 27.04.2012 ; опубл. 10.06.2013, Бюл. № 16.
11. Пат. 2503491 Российская Федерация, МПК В 01 F 5/06. Смеситель минерального топлива и расти-тельного масла с активным приводом / Уханов А. П., Уханов Д. А., Сидоров Е. А., Хохлова Е. А. - № 2012128420/05 ; заявл. 05.07.2012 ; опубл. 10.01.2014, Бюл. № 1.
12. Markov, V. A. Optimization of diesel fuel and corn oil mixtures composition / V. A. Markov, S. S. Loboda, V. G. Kamaltdinov // Procedia Engineering. - Chelyabinsk : LLC Elzevir, 2016. - P. 225-234. - (Series «2nd Inter-national Conference on Industrial Engineering, ICIE 2016»).
