8 (495) 988-61-60

Без выходных
Пн-Вск с 9-00 до 21-00

Как определить неисправность форсунки на дизеле


Признаки и причины неисправностей форсунок. Дизель и бензин.

Современный дизель - это высокоточная система подачи и впрыска топлива. Однако, современный дизель не самый надежный агрегат. Во многом надежность дизеля не связана с конструктивностью самой системы, а больше зависит от качества применяемого в автомобиле топлива. А так как в странах бывшего СССР дизельное топливо не самого хорошего качества, то в дизельной системе часто происходят поломки. Из-за некачественного топлива владельцам дизельных машин чаще всего приходится обращаться в СТО для ремонта форсунок. В отличие от бензиновых форсунок, которые чаще всего меняются полностью и не ремонтируются, дизельные форсунки можно попытаться отремонтировать. Для того, чтобы понять нужен ли ремонт форсунок, попробуем разобраться немного в теории.

Признаки неисправности форсунок дизельного двигателя

Чаще всего неисправность дизельных форсунок очень быстро обнаруживается водителем. Но если у владельца дизельного авто не было опыта владения подобным автомобилем, то он может сразу и не распознать поломку. Первым делом следует обратить внимание на работу двигателя. На первых этапах никаких признаков поломки не проявляется. Автомобиль начинает наоборот ехать чуть лучше, чем обычно. Да, я сейчас не оговорился. Все именно так. Дело в том, что из-за неисправных форсунок внутрь камеры сгорания может поступать больше топлива, чем требуется. Из-за богатой смеси машина начинает ехать лучше.

Если упустить этот момент, то плавная езда постепенно перерастет в более крупную поломку. Через некоторое время Вы начнете замечать, что автомобиль стал поддымливать при запуске, а холостой ход стал не стабильным, а обороты начали плавать.

На самых запущенных стадиях расход топлива увеличивается в разы, а автомобиль начинает дымить уже при езде или резком нажатии на педаль газа. Постепенно, когда форсунка переливает топливо, оно начнет попадать через кольца в масло. Из-за этого уровень моторного масла может увеличиться, а его свойства ухудшатся. А это уже может привести к серьезному ремонту.

Почему форсунки на дизельном двигателе выходят из строя?

Форсунки на дизельном моторе выходят быстрее, чем на бензиновом моторе. Это обусловлено тем, что у этих моторов разный принцип работы. Но в обоих случаях виной всему является некачественное топливо или несвоевременная замена фильтра очистки топлива. Если обслуживать машину вовремя, то форсунки должны отработать без замены и ремонта не менее 150 000 км. Если же использовать еще и качественное топливо, то заводские форсунки должны ездить 200-300 тыс. км.

Но, как правило, топливо используется не самое качественное, а фильтра меняются редко. Поэтому форсунки в современных дизелях едва ли выхаживают 150 тыс. км. После чего загрязняются и начинают дозировать топливо неправильно. Чтобы это исправить, придется как минимум произвести их механическую очистку от отложений и грязи. Данную процедуру лучше не откладывать в долгий ящик, а работу доверить людям, разбирающимся в этом.

Поэтому заливайте качественное топливо и делайте вовремя ТО. Качественное своевременное обслуживание автомобиля поможет избежать неприятных поломок в будущем.

Принцип работы форсунки дизельного двигателя

Опишем конструкцию детали на примере примитивной механической форсунки с 1 пружиной. В боковой части расположен канал, обеспечивающий непрерывную подачу солярки. Внутри камеры форсунки имеется подвижный барьер с пружиной и иглой, который опускается при росте давления. Игла поднимается, освобождая путь топлива к распылителю.

Дополнительно можно отметить более продвинутые типы форсунок:

  1. Пьезоэлектрические: толкатель пружины опускается под воздействием пьезоэлемента. Такая технология обеспечивает высокую интенсивность открытия распылителя: достигается экономия топлива, при этом ДДВС работает более ровно.
  2. Электрогидравлические: в конструкции имеются впускной и сливной дроссели, а также электромеханический клапан. Режим работы компонентов регулируется блоком управления двигателя.
  3. Насос-форсунки: применяются в моторах, в которых отсутствует топливный насос высокого давления. Горючее подаётся непосредственно форсунки. Внутри таких устройств распыления имеется собственная плунжерная пара, которая генерирует необходимое для впрыска давление.

Вследствие чрезмерных нагрузок форсунка может выйти из строя из-за нарушения режима эксплуатации мотора. Производителями заявляется ресурс деталей до 200 000 км, но в силу негативных эксплуатационных факторов износ деталей проявляется гораздо раньше.

Причины неисправности форсунок

Ремонт дизельных форсунок может потребоваться по следующим причинам:

  1. Низкое качество солярки: бич всех «дизелистов». Из-за примесей в горючем распылитель забивается; нарушается дозировка и режим подачи топлива.
  2. Низкое качество сборки компонента впрыска или заводской брак: форсунка не выдерживает эксплуатационных условий, выходит из строя деталь в целом или отдельные компоненты.
  3. Механические повреждения, вызванные некорректной работой смежных систем ДДВС.

Обычно поломки имеют следующий характер: изменяется угол распыления и количество подаваемого топлива, нарушается целостность корпуса, ухудшается ход иглы.

Признаки неисправности дизельных форсунок

Кратко опишем «симптоматический ряд»:

  • при движении ощущаются рывки и толчки;
  • ДВС нестабильно работает на холостых оборотах, глохнет;
  • при работе мотора выделяется чрезмерное количество выхлопа;
  • ощутимая потеря тяги;
  • отказ отдельных цилиндров;
  • сизый или чёрный дым из выхлопной трубы.

Ремонт форсунок

Текущее обслуживание или капитальный ремонт форсунок дизельных двигателей предпочтительно поручить квалифицированным специалистам — они смогут провести восстановление и регулировку детали на высокоточных автоматизированных стендах. Однако определённый комплекс ремонтных процедур можно провести и в кустарных условиях без использования сложной аппаратуры.

Необходимые инструменты и материалы

Для проведения самостоятельного обслуживания распылителей дизельного мотора автовладельцу потребуются:

  • набор рожковых или накидных ключей;
  • отвёртки под прямой и крестовый шлиц;
  • чистая сухая ветошь;
  • максиметр;
  • промывочная жидкость для ДДВС.

Рекомендуется проводить работы в сухом и освещённом, защищённом от пыли гараже.

Проверка работоспособности форсунки

Существует несколько методов проверки работоспособности распылителя. Проще всего проверить форсунку на работающем моторе:

  1. Запустите «движок» на холостом ходу.
  2. Начинайте поочерёдно выкручивать распылители один за другим.
  3. Если после снятия работа мотора ухудшилась, то удалённая форсунка исправна и её нужно вернуть на место.
  4. Методом исключения Вы найдете форсунку, демонтаж которой не изменит режим работы ДДВС. Это и будет сломанное устройство.

Можно для диагностики использовать мультиметр. Заранее необходимо скинуть клеммы АКБ и отключить проводку форсунок, после чего «чекнуть» прибором каждую деталь. На форсунках высокого сопротивления значения прибора будут находиться в диапазоне 11 — 17 ом; при низком импедансе мультиметр покажет до 5 ом.

Совет: Большим преимуществом будет наличие максиметра. Прибор способен показать текущее давление, при котором срабатывает распылитель. Также поможет выявить дефекты, касающиеся угла распыления и конфигурации струи впрыска.

Устранение возможных неисправностей

Неисправную форсунку необходимо осмотреть. Сначала ищем наличие протечек в корпусе детали. Если таковых нет, приступаем к разборке детали. Крепим деталь в тисках и аккуратным простукиванием выбиваем распылитель. Далее нужна тщательная чистка: вымачиваем части форсунки в солярке или растворителе для удаления нагара. Снимаем гарь и отложения мелкой стальной тёркой. После завершения чистки нужно проверить форсунку на максиметре. Если достигнуты оптимальные параметры впрыска, устройство готово к установке в мотор.

В иных случаях необходимо полностью заменить распылитель на дефектной форсунке. При установке новой запчасти тщательно удалите всю заводскую смазку, иначе устройство не будет работать.

Если форсунка продолжает «лить» даже после замены распылителя и тщательной чистки, обратите внимание на работоспособность пружины со штифтом — возможно, они изношены.

Для чистки распылителя пользуйтесь компрессором — напор воздуха выбьет труднодоступную грязь.

Установка форсунки

До демонтажа устройства сделайте метки маркером на всех деталях, чтобы избежать путаницы. Особенно внимательно размечайте шланги высокого давления. Форсунка вкручивается от руки насколько хватит сил. Дальнейшая затяжка выполняется ключом-динамометром. Значения затяжки указываются в руководстве по эксплуатации мотора. Когда установите форсунку, выкачайте воздух из топливной системы. На современных авто для этого достаточно несколько раз крутануть стартер; либо воспользуйтесь насосом ручной подкачки (при наличии).

Случаи, когда форсунка подлежит замене полностью

Перечислим основные признаки:

  • выработан ресурс, заявленный производителем;
  • на корпусе имеются пробои, иные нарушения герметичности;
  • прогоревшая гайка распылителя: если неполадку не устранить на ранней стадии, то сам распылитель придёт в негодность.

Обратите внимание, что на некоторых моторах после установки новой форсунки необходимо «привязать» её к двигателю: внести изменения в настройки блока управления.

Устанавливать форсунку лучше на СТО, так как на станции имеется стендовое оборудование для регулировки и оценки текущего состояния детали.

Заключение

Самостоятельный ремонт форсунок — мера скорее вынужденная. Такой сервис в кустарных условиях может принести успех только в случае высочайшей квалификации мастера. Главная проблема гаражного ремонта — отсутствие высокоточного стендового оборудования для диагностики. Ремонтник не может объективно оценить эффективность сервисных мероприятий.

Если есть возможность обратиться на СТО, не пренебрегайте ею: компьютерное оборудование и стенды очистки продлят жизнь форсункам, избавят от потенциального дорогостоящего ремонта. Та же ультразвуковая чистка может избавить автомобилиста от проблем двигателя на несколько сезонов.

Конструкция

Инжектор — самый важный элемент в системе впрыска бензиновых двигателей. Это электромагнитный клапан, который работает «под командой» ЭБУ, электронного блока управления двигателем. После получения импульсов определённой частоты, ЭБУ «отмеряет» дозу необходимого топлива, в зависимости от нагрузки двигателя и температуры охлаждающей жидкости. Точная и отлаженная работа этого механизма позволяет двигателю долго и исправно работать: меньший расход топлива, большая мощность и крутящий момент, легкий пуск двигателя при любых температурах — всё это плюсы отлаженной работы инжектора, но любые сбои в его работе ухудшают работу всего двигателя.
Очень часто в неисправной работе бензинового двигателя виноваты электромагнитные форсунки, которые не выполняют своих функций, или частично неисправны.
Это происходит из-за того, что нет электрического импульса на открытие клапана, может быть, произошёл обрыв обмотки электромагнита, а может быть загрязнены внутренние клапаны. Загрязненные внутренние клапаны чаще всего дают о себе знать авто-владельцу именно зимой при запуске инжекторного двигателя.

Поиск поломок

Если одна из форсунок вышла из строя, то «признаки болезни» двигателя могут совпадать с симптомами болезни неисправной свечи зажигания. Двигатель плохо работает, появляется сильная вибрация. Обнаружить поломанную форсунку можно при помощи поочерёдного отключения разъёмов. Если обороты двигателя снижаются, то форсунка работает отлично, если обороты не идут на спад значит, форсунка сломана.

Как найти причину поломки?

Это делается при помощи специального тестера, вначале проверяют подаваемое напряжение на форсунки (нормальное давление от 0 до 2-3В), если напряжение есть, значит с форсункой всё в порядке. Далее осуществляется проверка обмотки клапанов форсунок. При нормальной работе форсунок они имеют сопротивление 12-16 Ом, в системах с турбонаддувом – 4-5 Ом, а в системах с моноинжектором – 4-5 Ом. Подвижность электроклапана форсунки определяется моментальным подключением клемм форсунки к источнику электропитания, например, к аккумулятору двигателя. Нормально работающий инжектор будет слегка щёлкать, это будет говорить о нормальной работе клапана, при этом, если клапан работает, а цилиндр нет, значит, форсунка очень сильно загрязнена.
На станциях техобслуживания уровень загрязнения форсунок проверяют при помощи мультитестеров по продолжительности импульсов, которые ЭБУ подаёт для открытия клапана. Если форсунка загрязнена, то время импульса увеличивается.
Также, если в работе двигателя обнаружены нарушения, то можно проверить токсичность отработавших газов. Их токсичность повышается при переобогащении смеси, ухудшении смесеобразования, при невозможности воспламенения горючей смеси.
Если в машине установлен трёхкомпонентный катализатор, то здесь показателем ухудшения работы форсунок может служить увеличение содержания окислов азота. При этом, если иномарка новая, то не отработанное топливо в виде газов может быстрее вывести катализатор из строя.

Причины засорения форсунок

Некачественное топливо — вот одна из главных причин поломки форсунок. Огромное количество смол, которые оседают внутри форсунок, снижают пропускную способность, они не позволяют герметично закрываться клапанам, и тем самым меняется угол струи впрыскиваемого топлива.
При запуске двигателя в зимнее время, вышедший из строя клапан, является причиной переобогащения смеси, вследствие чего происходит повышенный расход топлива и повышается токсичность отработавших газов. При некорректном распылении топлива происходят нарушения в процессе смесеобразования, а это является первой причиной ухудшения практически всех показателей двигателя.
Засорение форсунок происходит при использовании поддельных топливных фильтров, либо же если просто авто-владелец забыл поменять во время фильтр.
При давлении в системе топлива может просто произойти разрыв фильтра, и грязь, естественно, попадёт в форсунки.

Ремонт

Форсунки ремонту не подлежат. Только регулярный уход и обслуживание систем питания поможет продлить жизнь вашим форсункам. Специалистами придуман ряд способов чистки инжектора. Использование специальных моющих присадок к топливу определённо продлит жизнь вашим форсункам и всей топливной системе. Однако только качественные присадки, и при регулярном применении помогут вашему автомобилю и его топливной системе.

Промывка инжектора

Отдельно хотелось бы отметить, что в иномарках с большим пробегом очистка с присадками может полностью вывести всю систему из строя, когда вся грязь из не промываемой системы смывается со стенок топливного бака, и устремляется к фильтру, и далее в форсунки. Сетка на форсунках забивается, и топливо перестаёт поступать.
Другой способ — это промывка инжектора без демонтажа, т.е. инжектор, остаётся не разобранным. Сначала отключают бензобак, затем штатный топливный насос и перекрывается канал слива топлива в бак. Одновременно с этим топливо-провод машины соединяется с профессиональным стендом, который подаёт в систему специальную жидкость. Два прогона жидкости с двумя перерывами — по 15-20 минут на каждые 15-20 тыс. километров пробега, и ваша топливная система будет подготовлена к зиме.
Ультразвуковой стенд — вот ещё один из способов чистки. Форсунки снимают и помещают в ванну с моющим раствором, где под действием ультразвука даже самые сильные отложения разрушаются.
На этом же стенде можно проверить качество чистки. Опыт показал, что ультразвуковой метод наиболее эффективен, и он даже может вернуть к жизни форсунки, которые уже не подлежат ремонту.

Источники: drive2.ru, motorsguide.ru, oils-market.ru.

Глава 3c - Первый закон - Закрытые системы

Глава 3c - Первый закон - Закрытые системы - дизельные двигатели (обновлено 19.03.2013)

Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы

c) Дизельный цикл воздушного стандарта (Компрессионное зажигание) Двигатель

The Air Стандартный дизельный цикл - идеальный цикл для Компрессионное зажигание (CI) поршневые двигатели, впервые предложенные Рудольфом Дизель более 100 лет назад. Следующая ссылка от Kruse Технологическое партнерство описывает четырехтактный дизельный цикл работа в том числе короткая история Рудольфа Дизеля.Четырехтактный дизельный двигатель обычно используется в автомобильных системах, тогда как более крупные морские системы обычно используйте двухтактный дизельный цикл . Еще раз у нас есть отличная анимация от Matt Кевени , представляя работу четырехтактный дизельный цикл .

Фактический цикл CI чрезвычайно сложен, поэтому в при первоначальном анализе мы используем идеальное "стандартное" допущение, в котором рабочее тело представляет собой фиксированную массу воздуха, испытывающего полный цикл, который рассматривается как идеальный газ.Все процессы идеальны, горение заменяется добавлением тепла к воздух, а выхлоп заменяется процессом отвода тепла, который восстанавливает воздух в исходное состояние.

Идеальный дизельный двигатель воздушного стандарта отдельные процессы, каждый из которых может быть проанализирован отдельно, как показан в P-V диаграммы ниже. Два из четырех процессов цикла адиабатические процессов (адиабатический = отсутствие передачи тепла), поэтому до мы можем продолжить, нам нужно разработать уравнения для идеального газа адиабатический процесс следующим образом:

Адиабатический процесс идеального газа (Q = 0)

Результатом анализа являются следующие три основных форм, представляющих адиабатический процесс:


где k - коэффициент теплоемкостей и имеет номинальное значение 1.4 в 300К по воздуху.

Процесс 1-2 - это процесс адиабатического сжатия. Таким образом, при сжатии температура воздуха увеличивается. процесс, а при большой степени сжатия (обычно> 16: 1) он достигнет температуры воспламенения впрыскиваемого топлива. Таким образом данный условия в состоянии 1 и степень сжатия двигателя, в для определения давления и температуры в состоянии 2 (при конец процесса адиабатического сжатия) имеем:

Работа W 1-2 , необходимая для сжатия газа показана как область под кривой P-V и оценивается как следует.

Альтернативный подход с использованием уравнения энергии использует преимущество адиабатического процесса (Q 1-2 = 0) приводит к гораздо более простому процессу:


(спасибо студентке Николь Блэкмор за то, что она рассказала мне об этой альтернативе подход)

Во время процесса 2-3 топливо впрыскивается и сгорает и это представлено процессом расширения при постоянном давлении. В состояние 3 («прекращение подачи топлива») процесс расширения продолжается адиабатически с понижением температуры до тех пор, пока не произойдет расширение полный.

Процесс 3-4, таким образом, представляет собой процесс адиабатического расширения. Общий объем работ по расширению W exp = (Ш 2-3 + Ш 3-4 ) и отображается как область под P-V диаграмму и анализируется следующим образом:

Наконец, процесс 4-1 представляет постоянный объем процесс отвода тепла. В реальном дизельном двигателе газ просто выходит из цилиндра и вводится свежий заряд воздуха.

Чистая работа W net , выполненная за цикл, составляет определяется по формуле: W net = (W exp + W 1-2 ), где, как и раньше, работа сжатия W 1-2 отрицательна (работа проделана по системе ).

В дизельном двигателе Air-Standard происходит ввод Q в путем сжигания топлива, которое впрыскивается контролируемым образом, в идеале приводящий к процессу расширения при постоянном давлении 2-3 как показано ниже. При максимальном объеме (нижняя мертвая точка) сгоревшие газы просто истощаются и заменяются свежим зарядом воздуха. Это представлен эквивалентным процессом отвода тепла с постоянным объемом Q из = -Q 4-1 . Оба процесса анализируются следующим образом:

На этом этапе мы можем удобно определить КПД двигателя по тепловому потоку:

__________________________________________________________________________

В этом разделе резюмируются следующие проблемы:

Задача 3.4 - А поршневой цилиндр без трения содержит 0,2 кг воздуха при 100 кПа. и 27 ° С. Теперь воздух медленно сжимается в соответствии с соотношением P V k = константа, где k = 1,4, до достижения конечного температура 77 ° C.

  • a) Набросок P-V диаграмма процесса относительно соответствующей постоянной температурные линии и указывают на этой диаграмме проделанные работы.

  • б) Использование основного определение границ выполненных работ определить границы работ выполнено в процессе [-7.18 кДж].

  • c) Используя уравнение энергии, определите тепла. передано в процессе [0 кДж] и убедитесь, что процесс находится в факт адиабатический.

Вывести все уравнения использовались начиная с с основным уравнением энергии для непроточной системы уравнение для изменения внутренней энергии идеального газа (Δu) основное уравнение для выполненной граничной работы и уравнения состояния идеального газа [ P.V = m.R.T ]. Использовать значения удельной теплоемкости определены при 300К для всего процесс.

Проблема 3.5 - Учитывать ход расширения только стандартный дизельный двигатель Air Standard с компрессией коэффициент 20 и коэффициент отсечки 2. В начале процесса (впрыск топлива) начальная температура 627 ° C, воздух расширяется при постоянном давлении 6,2 МПа до отсечки (объемное соотношение 2: 1). Впоследствии воздух адиабатически расширяется (без теплопередачи). пока не достигнет максимальной громкости.

  • a) Нарисуйте это процесс на P-v диаграмма, четко показывающая все три состояния.Укажите на схеме общая работа, проделанная в течение всего процесса расширения.

  • б) Определите температуры, достигнутые в конце постоянного давления (топливо впрыск) процесс [1800K], а также в конце процесса расширения [830K], и нарисуйте три соответствующие линии постоянной температуры на P-v диаграмма.

  • c) Определите общая работа, выполненная во время хода расширения [1087 кДж / кг].

  • г) Определите общее количество тепла, подаваемого в воздух. во время такта расширения [1028 кДж / кг].

Вывести все используемые уравнения исходя из уравнения состояния идеального газа и адиабатического процесса соотношения, основное уравнение энергии для замкнутой системы, внутренняя энергия и энтальпия изменяют соотношения для идеального газа, и базовое определение граничной работы, выполняемой системой (при необходимости). Используйте значения удельной теплоемкости, определенные при 1000K для всего процесс расширения, полученный из таблицы Specific Теплоемкость воздуха .

Решенная проблема 3.6 - Идеальный двигатель с дизельным степень сжатия 18 и степень отсечки 2. В начале процесса сжатия рабочая жидкость находится при 100 кПа, 27 ° C (300 К). Определите температуру и давление воздуха в конце каждого процесса, чистый объем работы за цикл [кДж / кг] и термический КПД.

Обратите внимание, что номинальные значения удельной теплоемкости для воздуха при 300K используются C P = 1,00 кДж / кг.K, C v = 0.717 кДж / кг · K ,, и k = 1,4. Однако все они являются функциями температура, и с чрезвычайно высоким температурным диапазоном при работе с дизельными двигателями можно получить значительные ошибки. Один подход (который мы примем в этом примере) заключается в использовании типичного средняя температура на протяжении всего цикла.

Подход к решению:

Первым шагом является построение диаграммы, представляющей проблема, включая всю необходимую информацию. Мы замечаем, что ни объем, ни масса не указаны, поэтому диаграмма и решение будут быть в конкретных количествах.Самая полезная диаграмма для тепловой двигатель - P-v диаграмма полного цикла:

Следующим шагом является определение рабочей жидкости и определитесь с основными уравнениями или таблицами для использования. В этом случае рабочая жидкость - воздух, и мы решили использовать среднюю температура 900K на протяжении всего цикла для определения удельной теплоемкости значения емкости представлены в таблице Удельная теплоемкость воздуха .

Теперь мы проходим все четыре процесса, чтобы определять температуру и давление в конце каждого процесса.

Обратите внимание, что альтернативный метод оценки давление P 2 - это просто использовать уравнение состояния идеального газа, как показано ниже:

Любой из подходов удовлетворителен - выберите тот, который вам удобнее. Теперь продолжим с топливом процесс постоянного давления впрыска:



Обратите внимание, что даже если проблема запрашивает "net производительность за цикл »мы рассчитали только тепло в и разогреть.В случае с дизельным двигателем намного проще оценить значения тепла, и мы можем легко получить чистую работу из энергетический баланс за полный цикл выглядит следующим образом:

Вы можете удивиться нереально высокой температуре полученная эффективность. В этом идеализированном анализе мы проигнорировали многие эффекты потерь, существующие в практических тепловых двигателях. Мы начнем понять некоторые из этих механизмов потерь, когда мы изучаем Второй закон in Глава 5 .

______________________________________________________________________________

В части d) Закона Первый закон - Цикловые двигатели Отто

______________________________________________________________________________________


Инженерная термодинамика, Израиль Уриэли находится под лицензией Creative Общедоступное авторское право - Некоммерческое использование - Совместное использование 3.0 США Лицензия

.

Почему дизельные форсунки выходят из строя

Дизельные форсунки выходят из строя по двум основным причинам. Первый связан с механической прочностью конструкции инжектора, а второй - с качеством топлива, проходящего через инжектор. Чтобы понять, как работает инжектор (и что на самом деле приводит к его отказу), мы связались с Exergy Engineering. Компания предоставила нам множество изображений неисправных форсунок, которые вы видите здесь, сделанных с помощью микроскопа, чтобы помочь вам избежать повреждения вашего дизельного топлива.

Фото 2/14 | Вот как выглядит размытое седло шара форсунки Common Rail. Без гладкой поверхности для уплотнения форсунка не отключится, что обычно приводит к повреждению поршня. Обычно виной всему агрессивная настройка и мусор в топливе. Все эти примеры взяты из реальных форсунок, которые Exergy Engineering использовала для тестирования.

Чтобы узнать как можно больше о топливной стороне уравнения, мы связались с Afton Chemical, компанией, которая специализируется на добавках к топливу.Afton имеет 85-летний опыт работы с OEM-производителями и топливными компаниями. Используя опыт обеих этих компаний, мы надеемся, что проблемы с топливными форсунками останутся в прошлом.

Проблема с топливной форсункой?
Если выполняется надлежащее техническое обслуживание и избегаются проблемные методы работы, подавляющее большинство владельцев дизельных двигателей без проблем преодолеют тысячи миль. Если вы владелец дизельного топлива со старым двигателем (до Common Rail), большая часть этой статьи (помимо общих советов по техническому обслуживанию, таких как регулярная замена топливного фильтра) к вам не относится.Это связано с тем, что более старые системы впрыска дизельного топлива используют только около 1⁄2 давления топлива в современных двигателях, а более старые форсунки направляют топливо через гораздо большие каналы.

Почему такая разница с форсунками common-rail? Современные дизельные форсунки Common Rail могут срабатывать два или три раза за цикл двигателя - это вдвое увеличивает износ форсунки по сравнению с дизелями прошлого. Чтобы определить, существует ли проблема с системами впрыска Common-Rail, работающими на дизельном топливе со сверхнизким содержанием серы (ULSD), нам необходимо знать, сколько форсунок вышло из строя с момента его внедрения.Отзывы, которые мы получаем от наших читателей, и онлайн-отчеты о сбоях, говорят о том, что всегда есть возможности для улучшения нашего топлива.

Механические отказы
Согласно Exergy Engineering, форсунки выходят из строя по пяти основным причинам. Мы перечислили их здесь вместе с индикаторами проблемы, причинами и способами ее предотвращения.

Фото 3/14 | Помните, все эти снимки сделаны под микроскопом. Невооруженным глазом инжектор может показаться нормальным, хотя на самом деле это не так.Правое регулировочное кольцо, вероятно, было повреждено при сборке форсунки.

Отказ: высокая внутренняя утечка или обратный поток
Индикаторы:
1. Двигатель запускается с трудом (для запуска требуется увеличенное время проворачивания)

2. Коды низкого давления в Common-Rail

Причины:
Изношенное седло шара форсунки

Негерметичные трубы поперечной подачи (Cummins)

Выдувное внутреннее уплотнение высокого давления

Неправильный зазор иглы сопла

Трещина на корпусе форсунки

Трещина в корпусе форсунки

Профилактика:
Содержите топливную систему в чистоте, меняйте топливные фильтры, покупайте топливо из надежных источников, избегайте заправки из переносных строительных топливных баков

Избегайте чрезмерно агрессивной настройки, которая увеличивает давление в рампе и ширину импульсов форсунок, и не удаляет ограничивающие давление устройства из системы

Не используйте восстановленные или неоригинальные компоненты для впрыска, которые не были должным образом спроектированы или произведены.

Отказаться от всех запасных частей топливной системы с металлическими заусенцами

Используйте только форсунки Bosch, так как они обладают превосходной стойкостью к растрескиванию.

Не смешивайте иглы с соплами, так как они подходят к корпусу и перемещение одной из них может привести к чрезмерному зазору или неправильному подъему иглы.

Неисправность: нет впрыска
Индикаторы:
Показатели баланса высокие (положительные), что указывает на добавление топлива в цилиндр, поскольку компьютер считает, что топливная форсунка протекает недостаточно.Компьютер принимает это решение, основываясь на двух известных ему вещах: скорости вращения коленчатого вала и количестве подаваемого топлива. Если коленчатый вал не вращается так быстро, как полагает компьютер (или вращается быстрее, чем должен), топливо (с помощью ширины импульса) добавляется или забирается, чтобы выровнять ускорение коленчатого вала от каждого срабатывания форсунки.

Фото 4/14 | Вот выдувное уплотнение высокого давления внутри форсунки Common Rail.

Низкий показатель доли цилиндров (проверка вклада цилиндров выполняется путем отключения одной форсунки за раз с учетом падения оборотов двигателя)

Коды неисправностей ЭБУ

Причины:
Мусор или ржавчина в форсунке забивают форсунку

Заклинило якорь и / или игла сопла

Неисправность статора (редко)

Потеря компрессии цилиндра или другая механическая проблема

Профилактика:
Следите за чистотой топливной системы, меняйте фильтры, покупайте топливо из надежных источников и избегайте заправки из переносных строительных топливных баков или сомнительных источников

Не используйте восстановленные или неоригинальные компоненты, которые не были должным образом спроектированы или изготовлены

Отказаться от всех запасных частей топливной системы с металлическими заусенцами

Избегайте привязки возврата от нескольких комплектов насосов высокого давления и форсунок к одной обратной линии; чрезмерное давление возврата, действующее на статоры форсунок, может поднять их (и в крайнем случае сдувать), отключив форсунку

Если предполагается длительное хранение транспортного средства, время от времени принимайте меры для предотвращения внутреннего лакирования и коррозии внутренних компонентов; также необходимо добавить присадки к топливу, специально разработанные для стабилизации дизельного топлива

Отказ: чрезмерный впрыск
Индикаторы:
Чрезмерный дым на холостом ходу, плохая работа и стук

Фото 5/14 | Это повреждение корпуса из-за неправильной сборки.

Высокий уровень баланса (отрицательный), что указывает на то, что компьютер удаляет топливо из форсунки

Тест на вклад цилиндра высокий, это означает, что при активации каждой форсунки частота вращения двигателя увеличивается больше, чем обычно.

Чрезмерная температура выхлопных газов

Повреждение двигателя из-за чрезмерного нагрева или гидравлической блокировки из-за чрезмерного количества топлива в цилиндре

Причины:
Изношено седло шара в форсунке или плохой конец отсечки впрыска

Седло иглы сопла изношено или повреждено

Загрязнения в системе управления форсункой, которая удерживает ее в открытом состоянии

Мусор в седле иглы сопла, удерживающий его открытым

Трещина форсунки от избыточного давления или перегрев форсунки из-за неправильной установки форсунки

Профилактика:
Заменить изношенные форсунки и форсунки с большим пробегом; не используйте эти форсунки в качестве основы для создания высокопроизводительного блока форсунок

Заменить изношенные форсунки

Содержите топливную систему в чистоте, меняйте фильтры, покупайте топливо из надежных источников и избегайте заправки из переносных строительных топливных баков или сомнительных источников

Отказаться от всех запасных частей топливной системы с металлическими заусенцами

Не используйте восстановленные или неоригинальные компоненты, которые не были должным образом спроектированы или произведены.

Отказ: неправильная скорость впрыска
Индикаторы:
Неровная работа и плохая балансировка цилиндров

Фото 9/14 | Восстановление форсунок требует хирургической чистоты.Даже кусок микроскопического ворса в контрольном отверстии может создать инжектор, который не сможет отключиться. Это одна из причин, по которой немногие компании могут ремонтировать форсунки Common Rail.

Большое изменение температуры выхлопных газов от цилиндра к цилиндру

Причины:
Плохой баланс потока через сопло

Неправильный подъем иглы сопла (детали смешаны или отсутствуют)

Форсунка частично забита

Сопла с проволочной щеткой

Профилактика:
Следите за чистотой топливной системы, меняйте фильтры, покупайте топливо из надежных источников и избегайте заправки из переносных строительных топливных баков или сомнительных источников

Отказаться от всех запасных частей топливной системы с металлическими заусенцами

Не используйте восстановленные или неоригинальные компоненты, которые не были должным образом спроектированы или произведены.

Убедитесь, что форсунки обслуживаются или приобретаются у надежных поставщиков

Не чистить сопла металлической щеткой

Отказ: неправильное время и продолжительность впрыска

Показатели:
Неровная работа, плохая балансировка цилиндра и стук

Повреждение поршня

Большое изменение температуры выхлопных газов от цилиндра к цилиндру

Причины:
Износ седла шара

Неправильная сборка форсунки, детали смешаны или детали отсутствуют

Подъем иглы форсунки увеличен для увеличения производительности

Профилактика:
Заменить изношенные форсунки

Обеспечьте обслуживание, тестирование и приобретение форсунок у надежных поставщиков

Неисправности дизельного топлива
По словам Дэвида Кливера, менеджера по маркетингу Afton Chemical в Северной Америке, есть три основные причины отказа форсунок, связанные со свойствами самого топлива: чрезмерный износ, истирание и отложения.

Фото 10/14 | Вот форсунка не Bosch, со сдутым наконечником. Создавать детали, чтобы выжить в этих ролях, сложно, и некоторым компаниям на вторичном рынке сложно соответствовать материалам и процессам термообработки Bosch.

Чрезмерный износ
Одна из причин отказа форсунок - чрезмерный износ. До 2006 года дизельное топливо в США содержало относительно большое количество серы. Эта сера содержится в сырой нефти, которая перерабатывается в дизельное топливо.Сера в топливе использовалась в качестве естественной смазки для топливной системы. Дизельное топливо со сверхнизким содержанием серы (ULSD) постепенно внедрялось в США, поскольку сера разрушает сажевые фильтры (DPF). Дизельное топливо со сверхнизким содержанием серы теперь является обязательным во всех сегментах дизельного топлива, включая шоссейные, внедорожные и железнодорожные. Дизельное топливо со сверхнизким содержанием серы имеет максимально допустимое содержание серы 15 частей на миллион (ppm). Поскольку нефтепереработчики удалили эту серу, исчезли и преимущества смазки. В результате заводы по переработке дизельного топлива теперь добавляют в топливо присадки для восстановления смазывающей способности.

Фото 11/14 | Это еще один пример плохого качества сопла из-за плохих материалов.

Стандарт для измерения этой смазывающей способности называется тестом высокочастотного поршневого двигателя (HFRR), ASTM D-6079, который измеряет размер пятна износа между двумя металлическими поверхностями, смазываемыми топливом. Чем меньше смазки обеспечивает топливо, тем больше след от износа. Максимально допустимый след износа в США составляет 520 мкм (460 мкм в Канаде). Многие поставщики топлива добавляют в топливо дополнительные присадки, улучшающие смазывающую способность, чтобы ограничить преждевременный износ.

Истирание
Хотя смазывающая способность топлива является важным фактором при определении характеристик износа системы впрыска топлива, это не единственная причина чрезмерного износа, связанная с топливом. Другая потенциальная причина преждевременного выхода из строя форсунок (из-за износа) связана с истиранием. Все виды топлива содержат небольшое количество примесей - даже самое качественное дизельное топливо. Некоторые из этих примесей включают очень маленькие (размером несколько микрон) частицы, которые могут проходить даже через самые жесткие бортовые фильтры автомобиля.Если топливо содержит большое количество этих мелких нерастворимых частиц, со временем они могут истирать форсунки при прохождении через них при нормальной работе двигателя. В крайних случаях это истирание может значительно изменить форму распыления топлива, что приведет к снижению производительности двигателя. В тяжелых случаях может даже выйти из строя форсунка. Надлежащая уборка, проводимая поставщиком топлива, и хорошая фильтрация топлива могут уменьшить ущерб, причиненный этим истиранием.

Фото 12/14 | Мы видели, как выглядит хороший и ровный рисунок распыления; вот пример того, чего вы не хотите.

Отложения
Хотя чрезмерный износ (вызванный плохой смазывающей способностью топлива или истиранием) важно учитывать при обсуждении причины отказа форсунок, Afton Chemical заявляет, что основная причина неисправности форсунок сегодня связана с чрезмерным накоплением отложений. Есть два основных типа этих отложений: внешние отложения в инжекторах и внутренние отложения в инжекторах.

Фото 13/14 | Иглы форсунок также могут изнашиваться. Этот выходил из строя из-за большого пробега.

Отложения на внешней форсунке обычно возникают из-за не полностью сгоревшего топлива, которое скапливается вокруг отверстий форсунки. Эти отложения называются коксующимися. Хотя в большинстве случаев эти отложения не могут привести к отказу форсунки, их может накапливаться достаточно, чтобы нарушить распыление топлива, что приводит к менее эффективному сгоранию топлива. Оператор транспортного средства часто отмечает это как заметную потерю мощности или потерю топлива. Моющие присадки использовались довольно успешно, чтобы помочь контролировать эти внешние отложения и восстановить наиболее эффективную работу инжектора - восстановить как потерянную мощность, так и потерянную экономию топлива, вызванную накоплением этих внешних отложений.

Внутренние отложения дизельных форсунок
По данным Afton Chemical, за последние пять лет начали появляться новые отложения на форсунках. Этот отложение образуется не на внешних концах форсунок, а на внутренних частях, таких как иглы форсунок и пилотные клапаны. Эти отложения часто похожи на коксующиеся отложения (темно-коричневого цвета), но также могут быть очень светлыми, от почти сероватого до кремового цвета. Хотя они могут образовываться практически в любом типе дизельного двигателя, они обычно вызывают эксплуатационные проблемы только в новых двигателях с системами точного впрыска.

Фото 14/14 | Эта форсунка вышла из строя из-за мусора и ржавчины в топливной системе.

Производители двигателей теперь предлагают системы впрыска, которые работают при очень высоких давлениях впрыска (в некоторых случаях более 30 000 фунтов на кв. Дюйм), которые подают топливо ко всем форсункам через общую топливную рампу. Эти двигатели часто называют двигателями с общей топливораспределительной рампой высокого давления (HPCR). Они были разработаны для удовлетворения спроса на более мощные дизели, при этом соблюдая постоянно ужесточающиеся нормы выбросов.

Давление впрыска около 30 000 фунтов на квадратный дюйм создает очень мелкую струю топливного тумана в камере сгорания, что приводит к более полному сгоранию топлива. Это более полное сжигание топлива приводит к снижению выбросов и может также улучшить экономию топлива. Для поддержания такого высокого давления впрыска узлы инжектора были тщательно спроектированы и имеют очень жесткие допуски зазоров, иногда от 1 до 3 микрон (толщина человеческого волоса обычно составляет от 70 до 100 микрон). Таким образом, вы можете себе представить, что на эти детали не потребуется много материала, чтобы вызвать плохое срабатывание иглы форсунки, что приведет к снижению производительности двигателя.В крайних случаях эти отложения могут привести к полному заеданию или заеданию игл инжектора, особенно после того, как автомобиль был остановлен и двигатель остыл.

По мере того, как эти внутренние отложения накапливаются, они могут вызывать те же симптомы, что и более традиционные внешние отложения кокса, а именно потерю мощности и снижение экономии топлива. В крайних случаях, когда форсунки начинают полностью заедать, это может привести к чрезмерному простою автомобиля и высоким затратам на техническое обслуживание.

.Исследование

по сгоранию с предварительным смешиванием в дизельном двигателе с ультра-многоотверстным соплом

В этом исследовании предложен новый низкотемпературный режим сгорания с предварительным смешиванием для одновременного снижения выбросов NO x и сажи в серийном дизельном двигателе CA6DF путем реконструкции ключевые системы. Некоторые разработки этого дизельного двигателя заключаются в следующем. Был разработан прямой канал и камера сгорания большого диаметра с низкой степенью сжатия. Были разработаны входные порты с высокой степенью завихрения индукции.Был разработан охлаждаемый EGR. В частности, было разработано сверхмногоканальное сопло (UMH). Он имеет два слоя отверстий для впрыска и большую площадь прохождения потока. Два распылителя верхнего и нижнего слоев встречаются в пространстве камеры сгорания. Результаты показали, что рабочий диапазон этого дизельного двигателя для достижения лучшего низкотемпературного сгорания с предварительной смесью следующий. Скорость может варьироваться от холостого хода до номинальной скорости. Нагрузка может достигать 50% от полной нагрузки соответствующей скорости по внешним характеристикам.NO x и выбросы сажи в этом рабочем диапазоне одновременно значительно снижаются, даже на 80–90% в большинстве тестовых случаев, при этом удельный расход топлива для тормозов (BSFC) не снижается.

1. Введение

В сгорании обычного дизельного двигателя преобладает диффузионное сгорание гетерогенной смеси. Фронт пламени представляет собой диффузионное пламя смеси со стехиометрическим соотношением эквивалентности. Таким образом, максимальная температура сгорания очень высока, что способствует образованию NO x .Собственная характеристика сгорания обычного дизельного двигателя определяет наличие минимального значения выбросов NO x [1]. А возникновение локальных зон низкой концентрации кислорода является предвестником образования сажи. Следовательно, идеальный коэффициент избытка воздуха для обычного дизельного топлива с предварительной смесью должен соответствовать или предотвращать образование сажи и большого количества выбросов NO x [2]. Таким образом, необходимо исследовать новый способ. для изменения гетерогенной смеси дизельного топлива с воздухом, смеси с соотношением стехиометрического эквивалента и свойств диффузионного пламени, чтобы соответствовать все более строгим нормам по выбросам.Низкотемпературное сжигание с предварительной смесью - это просто новый режим сжигания, который может одновременно снизить выбросы NO x и сажи [3–11]. В последние годы к этой категории относятся сгорание с воспламенением от сжатия с однородным зарядом (HCCI), сгорание зонтичным распылением, модулированное кинетическое сгорание, многоступенчатое сгорание дизельного топлива, сгорание с однородным зарядом дизельного топлива, сгорание с многоимпульсным впрыском HCCI и низкотемпературное сгорание. Их общая цель состоит в том, чтобы достичь низкотемпературного сгорания с предварительно смешанной смесью путем образования бедной и сильно перемешанной или частично смешанной предварительно смешанной топливно-воздушной смеси перед воспламенением.Все эти новые способы горения можно разделить на две категории, а именно, горение HCCI и PCCI (воспламенение от сжатия с предварительным смешиванием заряда).

Первая категория - горение HCCI. Он может обеспечить химическую и физическую гомогенную смесь перед воспламенением за счет раннего впрыска топлива. Горение HCCI близко к идеальному циклу Отто с постоянным объемом. Мало того, что он близок к мгновенному горению, но нет диффузионного пламени. Таким образом, выбросы NO x и сажи очень низкие.Гомогенная смесь приводит к незначительным выбросам сажи, а низкая температура приводит к сверхнизким выбросам NO x . Существует две типичных стадии горения HCCI. Первая стадия называется реакцией холодного горения или низкотемпературного окисления [12], когда длинные углеродные цепи начинают разрываться. Второй этап - это последующее основное сжигание, которое называется реакцией высокотемпературного окисления. Холодное сгорание приводит к высокой температуре в цилиндре до тех пор, пока не начнется основное сгорание (второй очевидный пик тепловыделения) для высоких соотношений воздух-топливо (AFR).EGR - это способ снизить концентрацию кислорода и контролировать скорость горения за счет аккумулирования тепла, особенно когда смесь близка к стехиометрическому коэффициенту эквивалентности при высоких нагрузках.

Вторая категория - сжигание PCCI. Сгорание PCCI отличается от сгорания HCCI, поскольку PCCI включает впрыск в цилиндр и имеет значительные градиенты соотношения эквивалентности топливно-воздушной смеси. Топливо при сгорании PCCI обычно впрыскивается непосредственно в камеру сгорания вблизи верхней мертвой точки.Эта стратегия впрыска предотвращает прилипание топлива к стенке цилиндра по сравнению со сгоранием HCCI [14]. Низкотемпературное сгорание, которое достигается за счет высокого уровня рециркуляции отработавших газов, приводит к низким выбросам NO x , а сгорание с предварительным смешиванием (или частично с предварительным смешиванием), которое достигается за счет увеличения задержки зажигания, приводит к низким выбросам сажи. Однако способность сокращать выбросы NO x и сажи у PCCI немного слабее, выбросы HC и CO ниже, а требования к однородности топливно-воздушной смеси и приготовлению обедненной смеси не строги по сравнению с теми HCCI.PCCI обычно больше подходит для дизельных двигателей [15] и не зависит от раннего впрыска топлива. Ранний впрыск топлива легко смачивает стенку гильзы или стенку сгорания, когда поршень все еще находится в нижнем положении в цилиндре, что приводит к неизбежному увеличению выбросов HC и CO. Более того, HCCI раннего впрыска топлива не может управлять моментом зажигания. Однако стало бы возможным управлять моментом зажигания с помощью PCCI позднего впрыска топлива.

На рисунке 1 показаны карты сажи NO x [13] для обычного дизельного двигателя, системы сгорания PCCI и HCCI, с температурой сгорания в качестве горизонтальной оси и отношением эквивалентности смеси в качестве вертикальной оси.В правом нижнем углу рисунка показана зона с высокой концентрацией NO x , а в соответствующем верхнем левом углу - зона с высокой концентрацией сажи. Различные способы сжигания приводят к различным областям, генерирующим выбросы сажи NO x . NO x и выбросы сажи при обычном сжигании дизельного топлива относительно высоки, и между ними существует компромиссное соотношение. Концентрация топливно-воздушной смеси в камере сгорания распределена очень неравномерно в широком диапазоне, поскольку сгорание начинается до окончания впрыска топлива.Хотя общее соотношение воздух-топливо обычно относительно высокое, все еще существует богатая смесь в определенных местах и ​​много смеси с соотношением стехиометрической эквивалентности. Однако сжигание HCCI начинается с гомогенной обедненной смеси, чтобы избежать одновременного образования областей с высокой концентрацией NO x и сажи. Следовательно, выбросы NO x и сажи могут быть снижены до очень низких значений. Однако топливно-воздушная смесь PCCI не такая бедная и однородная, как у HCCI.Но в то же время он позволяет избежать образования областей с высокой концентрацией NO x и сажи по сравнению с обычным дизельным сжиганием. Таким образом, выбросы NO x и сажи PCCI очень ниже, чем у обычного дизельного топлива, но немного выше, чем у HCCI.


Хотя низкотемпературное сжигание с предварительной смесью может одновременно снизить выбросы NO x и сажу, есть несколько проблем, которые необходимо решить, прежде чем применять его на практике [16, 17].

(1) Контроль фазы зажигания и горения
Фазу зажигания и горения необходимо контролировать, чтобы контролировать максимальное давление горения и не допустить снижения эффективности горения.

(2) Метод приготовления и качество предварительно смешанной смеси
Очень важно сформировать гомогенную или относительно однородную предварительно смешанную смесь перед зажиганием для достижения лучшего сгорания предварительно смешанной смеси.

(3) Приспособляемость к нагрузке при сгорании с предварительным смешиванием
Определение того, как продлить сгорание с предварительным смешиванием до высоких нагрузок, не вызывая детонационного сгорания, и как заставить его расшириться до низких нагрузок без возникновения пламени, является одной из ключевых проблем.

(4) Высокие выбросы HC и CO
Существующее сгорание с предварительной смесью имеет более высокие выбросы HC и CO, чем при обычном сгорании, из-за раннего впрыска топлива в HCCI и высокого уровня EGR при сгорании PCCI.

Это исследование направлено на изучение нового способа низкотемпературного сгорания с предварительной смесью для одновременного значительного снижения выбросов NO x и сажи в дизельном двигателе, и попытка преодолеть эти недостатки в существующих режимах сгорания с предварительной смесью дизельных двигателей, как указано. над.Его основные идеи заключаются в следующем: (1) Низкотемпературное сгорание, которое достигается за счет высокого уровня EGR, в значительной степени снижает выбросы NO x . Кроме того, охлажденная система рециркуляции отработавших газов полезна для достижения горения с предварительной смесью из-за увеличения задержки зажигания. Следовательно, он также может контролировать увеличение выбросов сажи. (2) Предварительно смешанное сгорание, которое достигается за счет комбинирования сопла UMH с высоким давлением впрыска, снижает выбросы сажи. Общая площадь проходного сечения сопла UMH намного больше, чем у обычного сопла.Более того, по сравнению с обычным соплом, диаметр отверстий сопла UMH может быть уменьшен при большом проходном сечении. Сопло UMH имеет два слоя отверстий. Два распылителя верхнего и нижнего слоя встречаются в пространстве камеры сгорания. Это позволяет избежать попадания брызг топлива на стенку камеры сгорания или гильзу цилиндра, что может контролировать выбросы углеводородов. (3) Предварительно смешанное сгорание регулируемой фазы сгорания, которое достигается за счет использования позднего впрыска топлива, позволяет избежать детонационного сгорания.Сгорание начинается в нижней части поршня, потому что впрыск топлива находится около верхней мертвой точки. Следовательно, максимальное давление в цилиндре не может подниматься слишком высоко, и детонационное возгорание можно избежать даже при высокой нагрузке.

2. Экспериментальная установка

Основные системы (впускная и выпускная системы, система сгорания, система впрыска топлива и т. Д.) Серийного дизельного двигателя реконструированы в соответствии с конструктивными идеями предварительного смешанного сгорания.Созданы системы проверки давления в цилиндрах, выхлопа и других характеристик. Наконец-то построен испытательный стенд предварительного сжигания дизельного топлива.

2.1. Двигатель

Исходным двигателем, использованным в этом эксперименте, является дизельный двигатель коммерческого автомобиля, и его основные характеристики показаны в таблице 1.


Модель CA6DF2

Тип Рядный, с турбонаддувом, с промежуточным охлаждением
Номер цилиндра - диаметр цилиндра × ход поршня (мм)
Номинальная мощность / частота вращения (кВт / об / мин) 155/2300
Максимальный крутящий момент / скорость (Н · м / об / мин) 680/1400
Минимальная стабильная скорость и крутящий момент (Н · м / об / мин) 580 ~ 620/1000
Минимум BSFC (г / кВт · ч) 205
Стандарт выбросов EURO II
Камера сгорания ω Входящий поток
Коэффициент завихрения Рикардо / коэффициент потока I Порт nlet 2.8 / 0,32

2.2. Впускной порт

Коэффициент завихрения Рикардо [19] (коэффициент завихрения = скорость завихрения заряда в конце впуска / частота вращения коленчатого вала двигателя) исходного впускного порта составляет 2,8. Как правило, значение коэффициента завихрения на впуске следует согласовывать с давлением впрыска топлива и количеством отверстий для форсунок, чтобы добиться лучших характеристик дизельных двигателей. Коэффициент завихрения индукции обратно пропорционален количеству отверстий сопла, когда другие параметры в обычном дизельном двигателе остаются неизменными, то есть коэффициент завихрения индукции должен уменьшаться, когда количество отверстий сопла увеличивается.В противном случае соседние форсунки могут перекрываться с образованием богатой смеси, когда степень завихрения слишком высока, что может привести к неполному сгоранию. При высоком давлении впрыска топлива можно использовать низкую степень завихрения индукции. Однако следует использовать большое количество EGR и значительную задержку впрыска топлива для достижения низкотемпературного сгорания с предварительной смесью в этом исследовании, что приводит к неблагоприятным последствиям HC, CO, удельного расхода топлива на тормозах (BSFC) и так далее. Следовательно, необходимо использовать высокий коэффициент завихрения при индукции, чтобы ускорить смешивание топлива с воздухом и способствовать сгоранию, что может устранить эти неблагоприятные последствия [3, 4].

Наконец, были разработаны два типа входных отверстий. Их коэффициенты закрутки по Рикардо составляют 3,6 и 4,5 соответственно, а соответствующие коэффициенты потока равны 0,298 и 0,27 соответственно. Коэффициент завихрения индукции двух впускных каналов намного выше, чем у оригинального впускного стакана.

2.3. Система рециркуляции отработавших газов

Система рециркуляции ОГ низкого давления может получать высокий уровень рециркуляции ОГ, как показано на Рисунке 2 [18]. Но главное, что выхлопные газы находятся перед турбиной, чтобы достичь гораздо более высокой скорости рециркуляции отработавших газов в этом исследовании.Два газоанализатора CO 2 используются для проверки объемной концентрации CO 2 в выхлопных газах и смеси свежего заряда и выхлопных газов, соответственно, в эксперименте. Затем относительная скорость рециркуляции отработавших газов свежего заряда рассчитывается по следующей формуле: где, и обозначают выхлопной газ, входящий газ и атмосферу соответственно. CO 2 объемная концентрация в атмосфере обычно составляет 0,04%.


2.4. Камера сгорания

Для достижения низкотемпературного сгорания с предварительным смешиванием, усовершенствованная конструкция камеры сгорания заключается в следующем.

(1) Уменьшение степени сжатия надлежащим образом
Низкая степень сжатия может продлить задержку воспламенения, что полезно для достижения сгорания с предварительной смесью.

(2) Использование камеры сгорания большого диаметра и прямого канала
Необходимо использовать камеру сгорания большого диаметра, чтобы предотвратить попадание струи топлива на стенку камеры сгорания при высоком давлении впрыска топлива, что полезно для контроль выбросов УВ.Кроме того, форма камеры сгорания должна быть благоприятной для быстрого распространения топлива в верхнюю часть камеры сгорания, когда момент впрыска топлива задерживается почти до ВМТ, что способствует быстрому смешиванию топлива и воздуха для ускорения сгорания. . Моделирование показало, что камера сгорания с прямым отверстием имеет эту характеристику по сравнению с исходной камерой сгорания. Таким образом, была разработана камера сгорания с прямым портом и большим диаметром.

Камера сгорания оригинального двигателя имеет четкую выступающую кромку, а степень сжатия составляет 17.7, в то время как степень сжатия улучшенной камеры сгорания с прямым портом составляет 16,5, как показано на рисунке 3.


(a) Камера сгорания исходного двигателя
(b) Камера сгорания улучшенной конструкции
(а) Камера сгорания исходного двигателя
(б) Камера сгорания улучшенной конструкции
2.5. Система впрыска топлива

Принципиальным принципом конструкции системы впрыска топлива является сокращение продолжительности впрыска топлива для достижения сгорания с предварительным смешиванием.Таким образом, система впрыска Common Rail высокого давления используется вместо оригинального механического рядного насоса, а форсунка UMH с большим проходным сечением используется для замены обычной форсунки.

2.5.1. Сопло UMH

В этом исследовании критически важно разработать сопло UMH. Необходимым условием для достижения сгорания с предварительной смесью является впрыск всего топлива в цилиндр перед зажиганием. Поэтому директива по конструкции сопла UMH заключается в том, что общая площадь проходного сечения должна быть намного больше, чем у обычного сопла, чтобы сократить продолжительность впрыска топлива.Диаметр отверстий следует уменьшить, насколько это возможно, чтобы обеспечить качество распыления. Разработанное сопло UMH показано на рисунке 4 [20].


Включает иглу и корпус иглы. В верхней части корпуса иглы имеется два слоя отверстий для сопел. Угол конуса отверстий для впрыска (здесь определяется как угол конуса, состоящего из всех осей отверстий для впрыска на одном и том же слое) отверстий подслоя больше, чем угол конуса отверстий верхнего слоя определяется как угол столкновения.С одной стороны, конструкция с двумя слоями сопловых отверстий значительно увеличивает общую площадь проходного сечения сопловых отверстий. Это позволяет впрыснуть все топливо в цилиндр перед зажиганием. Следовательно, это создает необходимые предпосылки для достижения сгорания предварительно смешанной смеси. С другой стороны, два распылителя из верхнего и нижнего слоев встречаются в пространстве камеры сгорания, потому что они больше, чем. Это не только предотвращает попадание струй топлива на стенку камеры сгорания или гильзу цилиндра, но также усиливает турбулентность струи, которая способствует смешиванию топлива с воздухом.Сопло UMH демонстрирует более короткое проникновение распыления и больший угол распыления в результате взаимодействия распылителей, чем обычное сопло, что помогает приготовить более однородную смесь [20]. Технические характеристики спроектированных форсунок UMH приведены в таблице 2.


Тип Количество слоев / количество отверстий в слое Диаметр отверстий сопла (мм) Общая площадь проходного сечения отверстий сопла (мм 2 ) Угол конуса α 1/ α 2 (°) Угол удара β (°)

Форсунка исходного дизельного топлива 1 / 8 0.17 0,1815 150 /
Сопло UMH Корпус 1 2/7 0,17 0,3167 148/156 4
Корпус 2 9008 Корпус 2 9008 0,16 0,3215 150/150
146/154
140/170
0, 4, 15

2.5.2. Система впрыска Common Rail под высоким давлением

Система впрыска Common Rail заменяет оригинальную механическую рядную систему впрыска топлива.Давление впрыска топлива и время впрыска в системе Common Rail можно гибко регулировать в любых рабочих условиях, что обеспечивает очень удобные способы исследования сгорания с предварительным смешиванием с дизельным двигателем.

2.6. Реконструированный испытательный двигатель

Реконструированный испытательный двигатель показан на Рисунке 5, а схема экспериментальной установки показана на Рисунке 6. Охладитель рециркуляции ОГ расположен в трубке рециркуляции ОГ между входом в турбину ОГ и впуском компрессор.И промежуточный охладитель, и охладитель системы рециркуляции ОГ имеют водяное охлаждение, и охлаждающая способность может быть установлена ​​путем регулирования циркулирующей воды.



2.7. Экспериментальная установка

Цетановое число дизельного топлива составляет 51. Температура охлаждающей жидкости установлена ​​на ° C. Температура воздуха на входе после промежуточного охладителя поддерживается на уровне ° C в течение всего эксперимента. Выхлопной газ измеряется газоанализатором HORIBA MEXA-7100, дым - дымомером AVL 415S, а давление в баллоне - датчиком давления KISTLER.В таблице 3 перечислено основное оборудование и инструменты для испытания двигателя.


Название Тип Precision Производственная компания

Гидравлический динамометр WE41N ± 0,2% Электромеханический технологический институт Yike

Hangzhou Yike Monitor Масса всасываемого воздуха EIM 030ID 0.8% Hangzhou Yike Electromechanical Technology Co., Ltd
Крутящий момент ± 0,3%
Скорость вращения ± 0,1%
Температура выхлопных газов ± 2%
Давление ± 0,2%

Счетчик топлива 7351CST 0,8% Компания AVL в Австрии
Влажный и сухой термометр 272-A ± 2% Шанхай Завод медицинских инструментов
Дымомер AVL 415S ± 2% Компания AVL в Австрии
Анализатор горения AVL 620 -
Газоанализатор MEXA-7100
DEXA-7100
Соответствует требованиям GB17691-1999 Компания HORIBA в Японии
Датчик давления в баллоне 9 0098 6125B –16 пКл / бар Компания KISTLER в Швеции
Массовый расходомер Sensyflow ± 1.5% FS Компания SENSYCON

3. Методология исследования

Предварительное сгорание тестового дизельного двигателя с соплом UMH фокусируется на механизме предварительно смешанного сгорания и окончательном уровне выхлопных газов. Основные технические меры заключаются в следующем. Большое количество EGR используется для достижения низкотемпературного сгорания с целью снижения выбросов NO x . Сопло UMH используется для замены обычного сопла, и оно сочетается с высоким давлением впрыска для сокращения продолжительности впрыска, что облегчает сгорание с предварительной смесью для уменьшения выбросов сажи.Момент впрыска топлива следует отложить до значения, близкого к ВМТ, что возможно для достижения контролируемой фазы сгорания, чтобы избежать детонационного сгорания и снижения эффективности сгорания. Таким образом, основные методы исследования в эксперименте с предварительно смешанным сгоранием в дизельном двигателе с соплом UMH заключаются в следующем. (1) На основании анализа сгорания сравните сгорание с предварительным смешиванием с соплом дизельного двигателя с UMH и обычным сгоранием, чтобы заключить механизм сгорания с предварительной смесью 2) Основываясь на измерении и анализе выхлопных газов, сравните предварительное сгорание сгорания дизельного двигателя с соплом UMH с обычным сгоранием, чтобы получить соотношение между NO x и выбросами сажи.

3.1. Анализ горения

На рис. 7 показано давление в цилиндре, скорость тепловыделения, скорость впрыска топлива и несколько важных параметров. Угол начала впрыска топлива в камеру определяется как начальная точка впрыска θ 1 (° CA ATDC). Угол закрытия впрыска топлива определяется как конечная точка впрыска θ 2 (° CA ATDC). Угол начала зажигания определяется как точка начала горения θ 3 (° CA ATDC).Угол интервала ( θ 3 - θ 1 ) между начальной точкой впрыска и начальной точкой горения определяется как задержка воспламенения (° CA). Угол интервала ( θ 2 - θ 1 ) между закрытием впрыска топлива и началом определяется как продолжительность впрыска (° CA). Угол интервала ( θ 3 - θ 2 ) между начальной точкой горения и точкой закрытия впрыска определяется как длительность предварительно смешанного градуса (° CA).


Здесь предварительно смешанная топливно-воздушная смесь анализируется количественно с интервалом угла между начальной точкой сгорания и точкой закрытия впрыска. Этот угол определяется как длительность предварительного перемешивания () топливно-воздушной смеси [21]. Если значение отрицательное, это означает, что не все топливо впрыскивается в цилиндр перед зажиганием. Невозможно достичь полного сгорания с предварительной смесью, потому что часть топлива все еще имеет диффузионное сгорание.Следовательно, он также относится к обычному горению. Когда значение равно нулю, это указывает на то, что все топливо только что полностью впрыснуто в цилиндр перед зажиганием. Но также невозможно добиться лучшего сгорания с предварительной смесью, потому что остается мало времени для смешивания впрыснутого топлива с воздухом. Только когда значение положительное, большее значение позволяет дольше смешивать топливо-воздух, чтобы обеспечить более однородное сгорание с предварительным смешиванием. Он может образовывать однородную бедную смесь, если коэффициент избытка воздуха в рабочих условиях велик.Таким образом, выбросы NO x уменьшаются из-за низкой максимальной температуры сгорания, а выбросы сажи также уменьшаются благодаря гомогенной бедной смеси. Таким образом, определенная выше продолжительность предварительного смешивания топливно-воздушной смеси является очень важным параметром, который играет важную роль при сравнении обычного сжигания и предварительно смешанного сжигания.

3.2. Измерение и анализ выхлопных газов

В ходе испытания двигателя необходимо измерить HC, CO, NO x , выбросы сажи, BSFC и т. Д.Кроме того, анализ скорости тепловыделения проводится по давлению в баллоне.

Эксперименты включают в себя сгорание исходного двигателя и сгорание с предварительной смесью дизельного двигателя различных сопел UMH, камер сгорания и впускных отверстий. Время впрыска топлива, давление впрыска и скорость рециркуляции выхлопных газов меняются, чтобы получить лучшую производительность в течение всего эксперимента.

Существует компромиссное соотношение между NO x и выбросами сажи при обычном сжигании.Это исследование направлено на достижение низкотемпературного сгорания с предварительно смешанным или частично с предварительным смешиванием для одновременного снижения выбросов NO x и сажи путем регулирования скорости рециркуляции отработавших газов, времени впрыска, давления впрыска, сопла UMH и других параметров.

4. Результаты и анализ

В таблице 4 показаны четыре выбранных рабочих режима для всего эксперимента. Коэффициенты избытка воздуха для этих выбранных условий эксплуатации различны, поскольку их скорость и нагрузка различны.Следовательно, во всем эксперименте необходимая скорость рециркуляции отработавших газов, давление впрыска и время впрыска для этих рабочих условий различаются, чтобы обеспечить их соответствующие более низкие выбросы NO x и сажи и избежать значительного ухудшения выбросов УВ, СО и Производительность BSFC.


Рабочий Скорость Крутящий момент Среднее эффективное давление *
состояние (об / мин) (Н · м) (МПа)

A 1000 62 0.119
B 1000 155 0,297
C 1000 215 0,412
D 1400 300 0,575
* Среднее эффективное давление = крутящий момент × τ /( 318,3 × VS ).
Где τ означает номер хода, четырехтактный - 4, а двухтактный - 2.
VS означает рабочий объем (л).
4.1. Влияние камеры сгорания на предварительное сгорание

Характеристики сгорания исходной возвратной камеры сгорания сравниваются с характеристиками камеры сгорания с прямым отверстием (как показано на рисунке 3) в ходе испытания. Используются сопло UMH 1616-4 (1616-4 означает число отверстий 16, диаметр отверстия 0,16 мм и угол столкновения 4 °) и входной порт с коэффициентом завихрения Рикардо 3,6.A и B в таблице 4 установлены для тестовых случаев. Характеристики двигателя двух разных камер сгорания оптимизированы за счет регулировки давления впрыска, момента впрыска и скорости рециркуляции отработавших газов, чтобы достичь их соответствующего самого низкого уровня NO x и выбросов сажи, при этом избежать значительного ухудшения выбросов HC, CO и BSFC. .

Камера сгорания с прямым портом может одновременно значительно снизить выбросы NO x и сажи по сравнению с исходной камерой сгорания с возвратным входом в рабочих условиях как A, так и B, как показано на Рисунке 8.


(a) Рабочее состояние
(b) Рабочее состояние B
(a) Рабочее состояние A
(b) Рабочее состояние B

Основные различия между исходной камерой сгорания и камера сгорания с прямым портом - это степень сжатия и типы конструкции. По сравнению с камерой сгорания с прямым портом и исходной камерой сгорания низкая степень сжатия может продлить задержку воспламенения, а большой диаметр позволяет использовать высокое давление впрыска для сокращения продолжительности впрыска топлива, что способствует достижению лучшего сгорания с предварительным смешиванием.В таблице 5 показаны параметры сгорания двух различных камер сгорания, которые соответствуют самой низкой точке выбросов NO x и сажи, показанной на фиг. 8, в рабочих условиях как A, так и B. Значение исходной камеры сгорания отрицательное, как показано в таблице 5, что указывает на то, что зажигание начинается до того, как все топливо будет впрыснуто в цилиндр. В то время как камера сгорания с прямым отверстием в рабочих условиях A и B составляет 5,1 ° и 4,1 °, соответственно, что оставляет много времени для смешивания топлива с воздухом перед воспламенением.Таким образом, можно добиться более однородного сгорания с предварительной смесью. Кроме того, большой диаметр камеры сгорания с прямым портом позволяет использовать высокое давление впрыска, поэтому можно использовать высокий уровень EGR. Следовательно, выбросы NO x и сажи могут быть одновременно существенно снижены по сравнению с исходной камерой сгорания.


Условия эксплуатации Тип камеры сгорания Давление наддува на впуске, КПа Давление впрыска МПа Коэффициент рециркуляции ОГ% Коэффициент избытка воздуха λ Начальная точка впрыска θ 1 ° CA ATDC Конечная точка впрыска θ 2 ° CA ATDC Начальная точка горения θ 3 ° CA ATDC Задержка зажигания
θ 3 - θ 1 ° CA
.

Экспериментальное исследование характеристик распыления дизельного топлива и процесса самовоспламенения

Основная цель этого исследования - получить временную и пространственную эволюцию распыления в условиях, аналогичных дизельному, и исследовать процесс самовоспламенения распылителей, которые впрыскиваются из форсунок различной геометрии. Для экспериментов изготовлена ​​камера сгорания постоянного объема, которая нагревается изнутри до 825 К при 3,5 МПа. Макроскопические свойства брызг дизельного топлива регистрировались с помощью высокоскоростной камеры CCD с использованием техники теневой съемки, а изображения анализировались с помощью программы обработки цифровых изображений.Чтобы исследовать влияние геометрии сопла, были изготовлены 4 различных типа расходящихся, прямых, прямолинейных, сходящихся-закругленных сопел, которые использовались как в экспериментах по выделению струи, так и в экспериментах с самовоспламенением. Внутренняя геометрия форсунок инжектора была получена методом силиконовой формы. Макроскопические свойства сопел представлены в исследовании. Наблюдалось поведение воспламенения форсунок разных типов с точки зрения времени задержки воспламенения и места зажигания. Коммерческое дизельное топливо n -гептан и смесь гексадекан-гептаметилнонан (CN65 - цетановое число 65) использовали в качестве топлива в экспериментах по воспламенению.Сходные макроскопические свойства различных форсунок были исследованы для наблюдения за разницей во времени и месте воспламенения. Хотя характеристики распыления и воспламенения показали очень похожие результаты, в исследовании представлены различия.

1. Введение

Измеренные характеристики распыления подразделяются на две основные категории; первая - это макроскопические характеристики, которые включают проникновение распылительного наконечника, угол конуса распыления и их производные [1–23], а вторая - микроскопические характеристики, которые включают скорость капли, распределение капель, распределение капель по диаметру, воздух- распределение топливной смеси и т. д. [7, 10, 12, 13, 16, 24–32].Макроскопические свойства аэрозоля дизельного топлива можно регистрировать и анализировать с помощью меньшего и более дешевого лабораторного оборудования, чем то, которое требуется для микроскопических свойств. В дополнение к этому, макроскопические характеристики более надежны, поскольку они имеют большие размеры и их легко обнаружить.

Проникновение наконечника распылителя является наиболее фундаментальной характеристикой среди прочих. Наиболее цитируемые уравнения проникновения распылительного наконечника - это уравнения, предложенные Wakuri et al. [19], Дент [20], Хироясу и Араи [21], и многие исследователи использовали или улучшили свои уравнения [1, 9, 18, 33].Эти модели основаны на известных параметрах системы впрыска и рабочих условиях, таких как впрыск и давление окружающей среды, диаметр сопла и т. Д. Хотя все полуэмпирические уравнения вышеупомянутых авторов предполагают, что скорость распыления постоянна на начальном интервале, исследования ближней зоны показали, что скорость распыления не является постоянной даже для этого короткого диапазона [3, 9]. В течение периода подъема иглы эффективная геометрия отверстия для потока изменяется и вызывает очень быстрое проникновение. Эксперименты по подъему иглы и скорости впрыска показывают, что этот период быстрого проникновения составляет около 50–150 мкс [9].

Производственные детали геометрии сопла, такие как закругление и конусность входного отверстия, являются важными параметрами, поскольку они оказывают стимулирующее воздействие на кавитацию. В современных дизельных двигателях используется более высокое давление впрыска с применением систем впрыска Common Rail. Сопловой поток в диапазоне высоких давлений имеет больше склонности к образованию кавитации. Показано, что тип и геометрия сопла (соотношение /) влияют на процесс смешения топлива с воздухом и кавитацию [25, 34]. Численные и экспериментальные исследования показывают, что острые входные сопла имеют большие осевые скорости на входе в сопло, таким образом создавая области (полости) с низким статическим давлением, которые могут инициировать кавитацию, когда давление падает ниже давления паров топлива.Нурик заметил, что кавитация может наблюдаться даже в тех областях, где давление в полости превышает давление пара [35]. Закругление на входе в сопло и конусность сопла оказывают меньшее влияние на кавитацию. Нурик предполагает, что поток не образует кавитации, когда отношение радиуса закругления к диаметру сопла (/) становится больше 0,14 [35]. Хотя кавитация приводит к структурным повреждениям сопла, недавние исследования показывают, что кавитация улучшает процесс распыления и смешивания топлива [25, 34, 36].Геометрия сопла и его склонность к кавитации должны быть определены при исследовании характеристик сопла.

Вся борьба за смешение распылением и исследования характеристик связана с его самовоспламенением и процессом горения. Период задержки зажигания начинается с впрыска топлива и состоит из периодов физической и химической задержки до момента самовоспламенения. Процесс распыления, испарения и смешивания топлива с воздухом происходит с физической задержкой. Затем медленно начинаются химические реакции, вызывающие самовоспламенение.Этот период называется периодом химической задержки. Полный период задержки воспламенения обычно выражается уравнениями типа Аррениуса. Согласно этим различным уравнениям задержки воспламенения эффективными параметрами задержки воспламенения являются условия окружающей среды и давление впрыска топлива. Многие авторы предлагают различные коэффициенты для уравнений задержки зажигания [37–40]. Некоторые исследователи добавляют новые параметры в уравнения задержки воспламенения, такие как влияние давления впрыска [40] и геометрия сопла [37].Известно, что время задержки воспламенения сокращается с увеличением давления окружающей среды, температуры окружающей среды и давления воспламенения.

Местоположение самовоспламенения распылителя дизельного топлива также является еще одним важным моментом исследования. Дек [41] объединил свои исследования по сгоранию распылением дизельного топлива и в 1997 году предложил концептуальную модель распыления дизельного топлива. Его работа изменила понимание самовоспламенения дизельного топлива. Он изобразил, что возгорание происходит постепенно во многих точках в областях ниже по потоку от всех топливных форсунок, начиная задолго до начала предварительно смешанного всплеска горения.В следующем исследовании Дека и Эспи [42] исследовалось самовоспламенение дизельного топлива. Результаты хемилюминесцентного изображения показали, что первое обнаруживаемое свечение сажи в изолированных карманах происходит случайным образом вдоль сторон жидкого топлива в верхней части некоторых топливных жиклеров.

Влияние геометрии сопла на развитие струи широко исследовалось в литературе. Однако связь между геометрией сопла и задержкой воспламенения еще не исследована.В этом исследовании было изготовлено четыре сопла и измерена их реальная входная геометрия. В качестве первой цели этого исследования будут представлены связи геометрии сопла и макроскопических свойств распыления. Во-вторых, будут представлены характеристики зажигания изготовленных форсунок. В этом исследовании изучается и выясняется, имеют ли форсунки, имеющие аналогичные макроскопические свойства, аналогичное самовоспламенение или нет.

2. Теоретический анализ

Коэффициент расхода сопла является хорошим параметром, помогающим получить теоретические характеристики расхода для различных типов сопел.Фактический массовый расход 𝑚𝑓 отличается от теоретического из-за трения и сжатия потока внутри сопла. Коэффициент расхода 𝐶𝑑 определяет соотношение фактического и теоретического расхода топлива: 𝐶𝑑 = ̇𝑚𝑓̇𝑚th = ̇𝑚𝑓𝐴02⋅𝜌𝑓⋅𝑃inj − 𝑃back, (1) ̇𝑚𝑓 = 𝑢e ff⋅𝜌𝑓⋅𝐴 e ff = 𝑢 mean⋅𝜌𝑓⋅𝐴0. ( 2) После впрыска топлива в камеру проникновение брызг определяется как важная характеристика распыления. В литературе разные исследователи определяют эту характеристику одним или двумя уравнениями [1, 9, 18–21, 33].Два уравнения для описания проникновения брызг более реалистичны. Когда спрей впервые впрыскивается в камеру, начальная скорость распылительного наконечника намного превышает скорость окружающего воздуха. Согласно Хироясу и Араи [21], в этой зоне проникновение описывается выражением, пропорциональным времени, другими словами 𝑡; он имеет постоянную скорость. На следующем временном шаге, когда скорость распыления уменьшается, проникновение в этой зоне пропорционально корню квадратному из времени, 0,5. Хироясу и Араи [21] описывают различие между этими двумя временными шагами как время разрыва: 𝑆 (𝑡) = 0.392Δ𝑃𝜌𝑓𝑡for0 <𝑡 <𝑡break,  (3) 𝑆 (𝑡) = 2.95Δ𝑃𝜌𝑎1 / 4√𝑑0𝑡for𝑡≥𝑡break. (4) Второй наиболее привлекательный параметр - угол конуса распылителя для определения характеристик распыления. Теоретические и экспериментальные исследования, опубликованные в литературе, показывают, что угол распыления квазипостоянен после того, как распыление достаточно развито, а эмпирические уравнения, описывающие угол распыления, не включают временную переменную. Согласно Хироясу и Араи [21] угол конуса следующий: 𝑙𝜃 = 83,5𝑑0 − 0,22𝑑0𝑑sack0,15𝜌𝑎𝜌𝑓0,26. (5) Еще одним важным параметром, характеризующим проявление брызг, является задержка воспламенения.Что касается определения задержки воспламенения, в литературе можно найти различные корреляции, основанные на параметрах температуры и давления. Многочисленные корреляции, основанные на экспериментальных данных, имеют форму уравнения Аррениуса, но константы в корреляциях меняются на несколько порядков [43–45]. Причина такого разнообразия может быть связана с разными экспериментальными условиями. Наиболее часто используемая форма для определения задержки зажигания: 𝜏 = 𝐴 × 𝑃 − 𝑛 × 𝑒𝐵 / 𝑇, (6) где 𝜏 - задержка воспламенения, 𝐴 - постоянная, 𝑃 и 𝑇 - давление и температура окружающего газа во время самовоспламенения [14, 39, 40, 44, 45].Пишингер и др. [39] улучшили основное уравнение, изменив знаменатель верхних индексов 𝑇 на (𝑇 − 𝑇0), где 𝑇0 определяется как эталонная температура, при которой воспламенения не наблюдается. Эффект уменьшения задержки воспламенения при повышении давления впрыска был отмечен Pischinger et al. [39]. Новые константы уравнения, предложенные Пишингером и др. [39] имеет следующий вид: 𝜏 = 6,97 × 𝑃 − 1,14 × 𝑒763,75 / (𝑇 − 𝑇0). (7) Однако эксперимент Пишингера проводился в условиях постоянного потока. Уравнение, полученное из эксперимента с постоянным объемом, необходимо для сравнения экспериментальных результатов с предсказанными.Константы уравнения, предложенные Фудзимото, получены из экспериментов с постоянным объемом [46], а уравнение, предложенное Фудзимото, имеет следующий вид: 𝜏 = 1,37 × 𝑃 − 1,06 × 5130 /. (8) Поскольку это уравнение получено на аналогичной экспериментальной установке, использованной в данном исследовании, ожидается, что оно даст аналогичные результаты.

3. Экспериментальная установка и методика эксперимента
3.1. Камера сгорания постоянного объема (CVCC)

В этом исследовании для экспериментов по распылению была спроектирована и изготовлена ​​камера сгорания постоянного объема диаметром 56 мм и глубиной 85 мм, способная нагревать воздух в камере до 850 К.Внутренняя стенка камеры покрыта смесью керамического порошка и смолы для изоляции нагревательного элемента. Нагревательный элемент специально разработан для равномерного нагрева камеры и не влияет на периферию распыления. Он изготовлен из листа нержавеющей стали толщиной 0,5 мм (номер материала: 1.4301, код ANSI 304). Форсунка устанавливается по центру верхней крышки, поэтому периферия распылителя совпадает с осью камеры. Камера оснащена двумя противоположными кварцевыми окнами толщиной 25 мм, которые обеспечивают обзор камеры (спрей) размером 55 × 25 мм, и стальным окном, на котором установлены термопара 𝑗-типа, предохранительная головка с разрывными дисками и звено манометра.Трубки для впуска и выпуска воздуха были установлены на нижней крышке, а держатель инжектора был установлен на верхней крышке, которая охлаждалась для предотвращения перегрева инжектора. Сжатый воздух подается из двух баллонов с воздухом под высоким давлением (200 бар) через редукторы для получения условий испытаний 2 и 3 МПа, как показано на рисунке 1. Кроме того, подача воздуха 0,6 МПа используется как для испытаний низкого давления, так и в качестве вспомогательного воздух для продувки тестируемой топливовоздушной смеси и продуктов сгорания. Впускные и выпускные клапаны с пневмоприводом могут работать при 1000 К и 20 МПа.


Напряжение нагревательного элемента подается от блока питания, который имеет диапазон выходного напряжения от 0 до 15 В и диапазон тока от 0 до 150 A. Температурные индикаторы, установленные на блоке питания, для наблюдения за температурой емкости. Блок управления PDI также установлен внутри блока питания для предотвращения перегрева емкости постоянного объема.

Перед проведением экспериментов измеряли распределение температуры внутри камеры. Измерения температуры от места к месту показали, что точки, расположенные ближе к нагревательному элементу, имели более высокие температуры.Однако при нагреве камеры до 800 ° K максимальное изменение температуры внутри камеры составило 26 ° K, за исключением точек измерения ближе 10 мм от нагревателя.

Блок управления топливом представляет собой типичную систему типа Common Rail, состоящую из топливного бака, термопары, фильтрующего элемента, насоса высокого давления с приводом от электродвигателя мощностью 3 кВт, клапана регулирования давления (DRV), датчика измерения давления, трубопроводов высокого давления. как топливный аккумулятор (рейка), форсунка с электромагнитным приводом (Bosch PN: 0445110146) и электронный блок управления топливом, специально разработанный для экспериментов.Электронный блок управления подачей топлива, способный выдавать сигнал форсунки, продолжительность которого и требуемое давление впрыска указываются в качестве входных данных перед экспериментом.

3.2. Система камер

Изображения брызг с разрешением цикла были получены с помощью высокоскоростной видеокамеры FASTCAM 512-PCI Photron. В этом исследовании изображения были сфотографированы с использованием 16000 кадров в секунду с разрешением 512 × 64 и 32000 кадров в секунду с разрешением 512 × 32 пикселей. Временной интервал между двумя записанными изображениями равен 31.25 μ с или 62,5 в зависимости от выбранной частоты кадров. Выбранная продолжительность экспозиции равна временному интервалу из-за необходимости более высокой интенсивности света для меньшей продолжительности экспозиции.

Поскольку это наиболее фундаментальные и простые наблюдения за макроскопическими характеристиками распыления; самовоспламенение, стороны самовоспламенения и длина отрыва пламени проводились методом теневой съемки [47]. Данные о проникновении распылительного наконечника были получены с использованием программы цифрового изображения, которая позволяет использовать тот же пороговый уровень, чтобы отличить распылительный наконечник от фона, а также измерять расстояние между отверстием распылителя и распылительным наконечником.Для получения теневых изображений брызг использовались непрерывный источник света мощностью 250 Вт, система освещения Dedocool и непрозрачный экран. Более равномерное распределение источника света на спреях достигается за счет использования непрозрачного экрана, помещенного между источником света и задним окном. Этот непрозрачный экран рассеивает неоднородную интенсивность освещения, которая находится на самом высоком уровне в центре светового луча, и предотвращает передержку, которая может привести к неправильному обнаружению менее плотных, внешних и слабых краев аэрозольной тени.

3.3. Сопла и их размеры

Чтобы исследовать влияние геометрии сопла, были специально изготовлены четыре сопла для экспериментов. Каждое сопло имеет одно отверстие, совпадающее с осью сопла. Таким образом, ось впрыскиваемой струи также совпадает с осью камеры. Принципиальная схема форсунки приведена на рисунке 2, а характеристики используемых типов форсунок приведены в таблице 1. Все они имеют отношение длины к диаметру ~ 4. Процесс гидроизмельчения проводился для сопла B и сопла D.Диаметры отверстий сопла не идентичны, чтобы поддерживать одинаковый расход сопла. За исключением форсунки A, расход форсунок 𝑄, определяемый как расход топлива, впрыскиваемого при 100 бар, идентичен.


Сопло 𝑄 при 100 бар -фактор Гидравлическое шлифование Диаметр отверстия. Ø мм

A 120 см 3 /30 с −1.5 𝐷𝑖∶0,225, 𝐷𝑜∶0,240
B 170 см 3 /30 с 0 Есть 0,240
C 170 см 3 /30 с 0 0,273
D 170 см 3 /30 с +1.5 Да 𝐷𝑖∶0,255, 𝐷𝑜∶0,240


Конусность форсунок обозначается 𝑘-fa

.

Смотрите также