Penza, Penza, Russian Federation
Dimitrovgrad, Ulyanovsk, Russian Federation
Ul'yanovsk, Ulyanovsk, Russian Federation
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
OKSO 35.06.04 Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве
The goal of the research is to give a theoretical evaluation of the annular clearance change in plunger pairs of the high pressure fuel oil pump (HPFP) depending on the amount of Camelina oil (Cam.oil) in composite Camelina-mineral fuel. The durability of plunger pairs of the fuel high-pressure pump (injection pump) depends on the intensi-ty of wear of the pairing of plunger-sleeve. The maximum wear of the plunger pair is characterized by an increase in the gap between the plunger and the bushing to the critical (maximum) annular gap, in which the plunger pair can’t provide a standard cyclic fuel supply due to exceeding the permissible values of fuel leaks in the annular gap between the plunger and the bushing. First of all, this applies to the engine start mode and the modes in which it operates at low speeds of the crankshaft. The acquired analytical formulae enable to define fuel leakage through the annular clearance between the plunger and the HPFP bush. We have calculated the critical annular clearance between the plunger and the bush within operating on fuels with different physical properties. Use of diesel fuel containing Camelina oil, which enhances its viscosity and density, results in growth of the critical annular clearance between the plunger and the bush compared with HPFP operating on market mineral diesel fuel (DF). It has been ascertained that when HPFP operates on composite Camelina-mineral fuel containing 50% DF+ 50% Camelina oil, the critical annular clearance within the plunger-bush mating makes 19.8 µm, and annular clearance change makes 15 µm, which is respectively 1.5 times (12.9 µm) and 1.8 times (8.1) µm more if compared with operating on market mineral DF. The acquired results of the theoretical evaluation show that using composite Camelina-mineral fuel makes it possible to increase the working capacity of plunger pairs compared with HPFP operating on market mineral DF.
diesel, pump, steam, gap, fuel, ring, diesel, mixed mineral
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. Ukhanov, D. A. Reduction of wear of the plunger of high pressure pump using the mixed rapeseed oil-mineral fuels : monograph / D. A. Ukhanov, A. P. Ukhanov, Rotanov E. G., A. S. Averyanov. – Penza : RIO PGAU,2017. - 185 p.
2. Effect of diesel mixed fuel on the wear of the plunger pairs of the fuel pump.,Rotanov E. G., A. S. Averyanov // proceedings of the Samara state agricultural Academy. - 2011. - №3. - P. 105-108.
3. Ukhanov, A. P. Reduction of wear of the plunger pump as a result of applying rational thinking-VA diesel / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, Rotanov E. G. // Technology of wheeled and tracked machinery. - 2015. - №2 (18). - P. 46-51.
4. Boltachev, G. I. the Use of alternative fuels and lubricants in automotive engineering : monograph / G. I. Boldarev, A. P. Bicanin, O. S. Volodko. – Kinel : 2017 RIO Samara state agricultural Academy,. - 169 p.
5. Ukhanov, A. P. Physical properties of camelina and mineral fuel / A. P. Ukhanov, A. Khokhlov,A. L. Khokhlov [et al.] / international research journal. - 2017. - № 5-3 (59). – Pp. 124-128.
6. Sidorov, E. A. Evaluation of fatty acid composition of vegetable oils and diesel fuel blends on the basis of false flax, of colza, and flax / E. A. Sidorov, A. P. Ukhanov, O. N. Zelenin // proceedings of the Sa-Mar state agricultural Academy. - 2013. - № 3. - P. 49-54.
7. Ukhanov, A. P. Adaptation of a tractor diesel engine to work on composite fuel / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, E. A. Khokhlov // Tractors and agricultural cars. - 2013. - № 10. - P. 14-16.
8. The device for the constructive adaptation of diesel engines of trucks and tractors to work on biomineral-dimensional fuel / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, E. A. Khokhlova, A. A. Khokhlov // proceedings of the Samara state agricultural Academy. - 2016. – Vol.2. - P. 34-39.
9. Ukhanov, A. P. Diesel mixed fuels: challenges and innovation / D. A. Ukhanov,I. F. Adamov // proceedings of the Samara state agricultural Academy. - 2016. - Vol. 1, № 2. - P. 46-51.
10. Pat. 2484291 Russian Federation, IPC e 02 M 43/00. A dual fuel supply system diesel / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, Godina E. D., Khokhlova E. A. No. 2012117807/06; Appl. 27.04.2012; publ. 10.06.2013, Byul. No. 16.
11. Pat. 2503491 Russian Federation, IPC in 01 f 5/06. The mixer of mineral fuel and grow-tive oil with active drive / Ukhanov, Ukhanov, d. a., Sidorov, e. a., Khokhlova, e. a. –No. 2012128420/05; application. 05.07.2012; publ. 10.01.2014, bul. No. 1.
12. Markov V. A. optimization of diesel fuel composition and corn oil mixtures / V. A. Markov, S. S. Loboda,V. G. Kamaltdinov/ / Procedia Engineering. - Chelyabinsk: LLC "Elsevier", 2016. - P. 225-234. - (Series "2nd international conference on industrial engineering, ICIE 2016").
