CC BY
68
I ИЩИ I
Транспорт
Библиографический список
1. Свирбутович О.А., Струк Н.М. Актуальные проблемы социальной политики предприятий автомобильного транспорта: материалы Международной научн.-практ. конференции «Социально-экономическое развитие современного общества в условиях реформ». Саратов: Академия бизнеса, 2010. Ч. 3. С. 43-47.
2. Свирбутович О.А. Состояние автомобильного транспорта и его влияние на социально-
экономическое развитие России // Вестник ИрГТУ. 2010. № 6 (46). С. 161-165.
3. Эксперты: в 2014 году рост цен в автосервисах составит 3-5% [Электронный ресурс]. URL: http://www.zr.ru/content/news (03.11.2015).
4. Рынок автосервиса в России [Электронный ресурс]. URL: http:// www.autostat.ru/catalog/product/170 (03.11.2015).
УДК 621.187.127 + 621.928.8
МАГНИТНЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА И ТОПЛИВА ДВИГАТЕЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
© А.Г. Семенов1, В.В. Скутельник2, О.Л. Маломыжев3
1Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29. 2,3Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Статья посвящена актуальной для экологии, безопасности жизнедеятельности человека и технических систем (в том числе для транспортного машиностроения) проблеме фильтрации воздуха, воды и других текучих газообразных и жидких сред. Авторами предложено осуществлять фильтрацию текучих сред посредством оригинального по конструкции и принципу действия универсального магнитного фильтра, фильтровальная решетка которого формируется из ферромагнитной сыпучей массы непосредственно в проточной части при включении источника магнитного поля. Соответственно, имеет место комплекс положительных эффектов, включающий возможность оперативной регулировки архитектуры фильтровальной решетки (параметров) фильтра и безразборной его регенерации.
Ключевые слова: очистка жидкости; очистка газа; магнитное поле; металлические примеси; фильтрация; регенерация фильтра.
A MAGNETIC FILTER FOR TRANSPORT MACHINE ENGINE AIR AND FUEL FILTERING A.G. Semenov, V.V. Skutelinik, O.L. Malomyzhev
St. Petersburg State Polytechnic University, 29, Politeknicheskaya St., Saint-Petersburg, 195251, Russia. Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article deals with the problem of filtering air, water and other gaseous and fluid media that is relevant for environment, life safety of humans and technical systems (including transport machine-building). The authors propose to filter fluids by means of an original in design and operation principle universal magnetic filter whose filtering lattice is formed from ferromagnetic loose mass right in the flow passage when the source of the magnetic field is switched on. Therefore,
1Семенов Александр Георгиевич, кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей, автомобилей и гусеничных машин Института энергетики и транспортных систем, тел.: 89052014635, 89215798583, e-mail: agentnomer117@mail.ru
Semenov Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engines, Automobiles and Track Machines of the Institute of Power Engineering and Transport Systems, tel.: 89052014635; 89215798583, e-mail: agentnomer117@mail.ru
2Скутельник Виталий Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры менеджмента и логистики на транспорте Института авиамашиностроения и транспорта, тел.: 89148886044, (3952) 405135, e-mail: scutvv@gmail.com
Skutelinik Vitaly, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Transport Management and Logistics of the Institute Aircraft Engineering and Transport tel.: 89148886044; 83952405135, e-mail: scutvv@gmail.com
3Маломыжев Олег Львович, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта Института авиамашиностроения и транспорта, тел.: 89027658015, (3952) 405136, e-mail: olm@bk.ru Malomyzhev Oleg, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automobile Transport of the Institute Aircraft Engineering and Transport, tel.: 89027658015; 8(395)2405136, e-mail: olm@bk.ru
a complex of positive effects is achieved including the possibility of operative regulation of the architecture of the filter lattice (parameters) and its in-place regeneration.
Keywords: fluid filtering; gas filtering; magnetic field; metallic admixtures; filtering; filter regeneration.
Долговечность работы двигателя внутреннего сгорания в значительной мере зависит от степени очистки топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Проникая в цилиндр двигателя вместе с воздухом, частицы пыли вызывают интенсивный абразивный износ цилиндров, поршневых колец, шеек и подшипников коленчатого вала.
Для очистки воздуха от пыли и подвода его к цилиндрам двигателя служит воздушная система питания. В систему входят воздухоочистители и впускные коллекторы. Воздухоочистители должны свободно пропускать в цилиндр воздух и задерживать находящуюся в нем пыль.
Под запыленностью воздуха понимается количество пыли в граммах, содержащееся в 1 м3 воздуха. Степень очистки воздуха Н оценивается количеством пыли, задержанной воздухоочистителем, отнесенным к количеству пыли, поступившей в воздухоочиститель с атмосферным воздухом:
н= Р
Р '
где ф1 - запыленность воздуха, поступающего в воздухоочиститель; ф2 - запыленность воздуха, выходящего из воздухоочистителя.
Конструкция современного воздухоочистителя должна удовлетворять следующим основным требованиям: обеспечивать высокую, почти стопроцентную степень очистки воздуха от находящейся в нем пыли; иметь минимальное и стабильное во все время работы двигателя сопротивление проходу воздуха; обеспечивать малую трудоемкость работ по обслуживанию; иметь небольшие размеры и вес.
Степенью очистки воздуха воздухоочистителем характеризуется коэффициент пропуска пыли:
K = Р = 1 - Н.
Р
Для обеспечения требуемой долговечности работы двигателя необходимо, чтобы коэффициент пропуска пыли был не более 0,1-0,2%.
Вторым существенным показателем качества воздухоочистителя является его сопротивление прохождению воздуха, характеризуемого перепадом давления. Сопротивление воздухоочистителя приводит к потере мощности двигателя до 5%.Часть мощности затрачивается на преодоление данного сопротивления, часть теряется в связи с ухудшением наполнения цилиндров воздухом, что приводит к неполному сгоранию топлива. По мере загрязнения воздухоочистителя его сопротивление возрастает. Максимально допустимая величина этого сопротивления для поршневых двигателей составляет 10-12 кПа, для газотурбинных двигателей 3-4 кПа.
Содержащиеся в топливе механические примеси вызывают повышенный износ прецизионных пар топливного насоса высокого давления и форсунок. Топливные фильтры дизелей должны очищать топливо от мельчайших механических примесей размером до 2-6 мкм.
Используемые в качестве топлива сжатые и сжиженные газы также требуют очистки от механических примесей, смолистых веществ и сернистых соединений.
Предлагаемые фильтры для грубой или тонкой очистки газообразных и жидких текучих сред являются магнитными фильтрами (МФ) [4]. Принцип действия таких устройств основан на организации силового взаимодействия улавливаемой частицы (посредством ее собственного магнитного поля) со встроенным в фильтр источником искусственного магнитного поля, пространственно перекрывающего проточный («рабочий») объем фильтра.
Обязательное условие задержки фильтром инородных немагнитных частиц и малоразмерных тел - наличие в его проточной полости фильтровальной решетки (ФР), в той или иной степени соответству-
ющей заданным для нее стереометрическим структурным характеристикам («архитектура» решетки).
Естественно, чем мельче ячейки в ФР (при неизменной силовой характеристике искусственного магнитного поля), тем она эффективнее, но оказывает большее сопротивление движению очищаемой текучей среды.
Кроме того, важен и процесс регенерации (очистки, восстановления в той или иной степени первоначального состояния ФР) как неизбежного этапа «жизненного цикла» фильтра многоразового действия. Возможна ли регенерация вообще, и если да, то насколько она удобна и рентабельна, возможна ли без разборки фильтра, поддается ли автоматизации, насколько полно восстанавливаются свойства фильтра, сколько циклов регенерация допускает?
Особо приветствуются устройства с возможностью эффективной безразборной регенерации. Но ее затрудняет «лабиринт-ность» структуры ФР (рациональная с точки зрения улавливания инородных примесей). Налицо противоречие между требованиями увеличения аэрогазодинамического сопротивления решетки в режиме «Фильтрация» и его уменьшения в режиме «Регенерация».
Целесообразно также, в зависимости от возможных изменений условий эксплуатации, регулировать процесс фильтрации путем оперативного дистанционного или автоматического изменения архитектуры ФР.
Большие возможности во всех перечисленных аспектах открывают устройства с дистанционно и автоматически регулируемыми (в части архитектуры) фильтровальными решетками на основе ферромагнитной сыпучей массы. Характерная особенность таких фильтров - формирование ФР непосредственно в проточной части фильтра при включении источника внешнего (искусственного улавливающего) магнитного поля. Соответственно, обеспечивается не только возможность формирования оперативного (дистанционного и авто-
матического) регулирования архитектуры решетки, но и весьма простой и также оперативной (дистанционной и автоматической) регенерации фильтра.
Здесь источник магнитного поля выступает как устройство, улавливающее магнитные примеси и формирующее архитектуру ФР.
Вариант конструкции магнитного фильтра МФ-3, как и МФ-2 [4], базируется на авторском устройстве-прототипе [3], в котором со временем, в процессе естественного научно-технического прогресса проявился исправимый недостаток: когда используются постоянные (неуправляемые) магниты, фильтровальная масса постоянно находится в магнитном поле, то есть в виде ФР, вследствие чего затруднено ее удаление.
Поэтому очередным шагом совершенствования семейства новых МФ стала реализация задачи улучшения технико-эксплуатационных характеристик путем облегчения их регенерации.
Суть предложения кратко может быть сформулирована (как новая совокупность существенных конструктивных признаков устройства) следующим образом.
Магнитный фильтр, содержащий рабочую камеру, ограниченную немагнитной гильзой, подводящий и отводящий патрубки, сыпучую фильтровальную ферромагнитную массу, источник постоянного магнитного поля, выполненный в виде нескольких горизонтально установленных магнитов, соединенных между собой маг-нитодержателями, снабжен дополнительной камерой, ограниченной экранирующей гильзой, установленной последовательно и соосно с немагнитной гильзой, а магнито-держатели установлены с возможностью перемещения вдоль продольной оси рабочей и дополнительной камер.
Магнитный фильтр МФ-3 (рис. 1-3) содержит проточную часть, образованную подводящим патрубком 1, экранирующей 2 и немагнитной 3 гильзами, установленными последовательно и соосно, и отводящим патрубком 4; корпус 5, образованный развитыми фланцеобразными частями гильз 2
и 3 и соединяющим их между собой экранирующим кожухом 6; а также источник магнитного поля, преимущественно постоянного.
Рис. 1. Конструктивное выполнение магнитного фильтра МФ-3 в режиме «Фильтрация», вид сбоку в разрезе
Рис. 2. Конструктивное выполнение магнитного фильтра МФ-3 в режиме «Регенерация», вид сбоку в разрезе
а б
Рис. 3. Магнитный фильтр МФ-3 в режиме безразборной регенерации (стадия «Удаление засоренной массы»), вид спереди с местными разрезами: а - промывка или продувка; б - очистка с помощью
толкателя-шомпола
Гильза 2 встроена внутрь гильзы 3, занимая половину длины последней, причем обе гильзы выполнены с одинаковыми внутренними диаметрами, а гильза 3 имеет наружный диаметр, одинаковый по длине гильзы 2.
Источник магнитного поля выполнен одно- или многорядным. Каждый ряд включает в себя магниты 7, преимущественно постоянные (неуправляемые), установленные горизонтально в пространстве между гильзой 3 и кожухом 6 симметрично относительно продольной оси гильзы 3 и соединенные одноименными полюсами между собой посредством магнитодержателей (магнитопроводов) 8, охватывающих гильзу 3 так, что силовые линии магнитного поля распределены по всей площади поперечного сечения проточной части.
По длине гильзы 3 установлены один или несколько таких рядов, маг-нитоизолированных друг от друга, но механически связанных в одну систему посредством каретки 9. Общая длина (по оси гильз 2 и 3) магнитодержателей 8 не превышает длины гильзы 2 и половины длины гильзы 3.
Зона проточной части, охватываемая магнитным полем всех рядов источника, образует рабочую камеру 10 фильтра, а зона, ограниченная гильзой 2, - дополнительную камеру 11. При оговоренной длине источника магнитного поля объемы камер 10 и 11 взаимно не перекрываются.
Каретка 9 с магнитодержателями 8 установлена на гильзе 3 с возможностью продольного перемещения и фиксации по меньшей мере в двух крайних положениях по длине гильз 3 и 2. С этой целью к каретке 9 прикреплен рычаг 12 с ручкой 13 и пружинным фиксатором 14, взаимодействующим с одним из гнезд фиксатора, имеющихся в различных местах по длине гильзы 3: гнездами 15, 16 и т.д. Рычаг 12 пропущен через сквозной паз 17 в кожухе 6 так, что ручка 13 расположена снаружи фильтра.
Патрубки 1 и 4 соединяются с системами подвода и отвода рабочей и промывочной сред (см. рис. 3, а). Эти системы
включают в себя магистрали 18 и 19 соответственно подвода и отвода рабочей текучей среды (потоки 20 и 21), магистрали 22 и 23 подвода и отвода промывочной текучей среды (потоки 24 и 25) и заслонки 26 и 27. На фильтрах (см. рис. 3, а и б) имеются указатели 28 и 29 крайних верхнего и нижнего положений каретки 9 (режимы «Фильтрация» и «Регенерация»).
Устройство МФ-3 работает следующим образом. Фильтр соединяют с магистралями (см. рис. 3, а). Для его эксплуатации в режиме «Фильтрация» каретку 9 устанавливают в крайнем верхнем положении (см. рис. 1). При этом рабочая камера 10 заполнена сыпучей ферромагнитной массой, образующей в магнитном поле одно- или многослойную (в данном примере двухслойную) фильтровальную решетку. Заслонки 26 и 27 устанавливают в положения, показанные на рис. 3, а пунктиром. Подлежащая очистке текучая среда поступает через магистраль 18, патрубок 1 и камеру 11 в камеру 10, где очищается от магнитных и немагнитных примесей, после чего выходит через патрубок 4 и магистраль 19 (поток 21) к потребителю.
Таким образом, работа фильтра МФ-3 в режиме «Фильтрация» аналогична работе фильтра-прототипа МФ-2 в указанном режиме.
Регенерацию фильтра (после предельного засорения решетки) осуществляют либо безразборным, либо разборным способом. В первом случае (см. рис. 3, а) заслонки 26 и 27 переводят во второе положение, во втором случае (см. рис. 3, б) фильтр отсоединяют от магистралей.
В обоих случаях после этого каретку 9 снимают посредством рычага 12 с фиксатора, перемещают в крайнее нижнее положение и вновь фиксируют, используя гнездо 16 вместо гнезда 15.
При этом магнитное поле перемещается из рабочей камеры 10 в сторону камеры 11. Но вследствие экранирующего действия гильзы 2 магнитное поле в дополнительной камере 11, охваченной магнитодержателями 8, отсутствует.
При подаче через магистраль 22 в
патрубок 4 промывочной среды (поток 24) в случае безразборной регенерации засоренная фильтровальная масса, уже не удерживаемая магнитным полем, свободно увлекается промывочной средой и выходит из фильтра (поток 25) на обработку.
В случае разборной регенерации (с отсоединением фильтра от магистралей) при введении в проточную часть фильтра толкателя-шомпола 30 с немагнитным наконечником 31 (см. рис. 3, б) засоренная ферромагнитная масса 32 также свободно удаляется из фильтра и может быть собрана в емкость 33, подставленную под патрубок 1.
После описанных операций каретку 9 возвращают в исходное положение и известными способами формируют новую фильтровальную решетку, вводя в рабочую камеру 10 незасоренную массу.
Заменой фильтровальной решетки регенерация фильтра завершается.
Использование описанных новаций позволяет улучшить технико-эксплуатационные характеристики МФ путем облегчения и ускорения регенерации, что достигается при перемещении магнитного поля за пределы проточной части. Это обусловлено тем, что удаляемая при регенерации фильтровальная масса уже не удерживается магнитным полем в проточной части.
Устройство МФ-3 признано изобретением [2, 1], использование которого также не потеряло своей актуальности в различных областях человеческой деятельности.
В результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
1. Представленные новации решают обозначенную проблему, являются очередными шагами в совершенствовании методов и средств очистки (фильтрации) газообразных и жидких текучих сред от магнитных и немагнитных инородных включений прежде всего воздуха или воды как важнейших для жизнедеятельности и ряда технологических процессов веществ.
2. Представленная конструкция обладает промышленной применимостью, является изобретением.
3. Внедрение предлагаемых магнитных фильтров позволяет:
- формировать фильтровальную решетку без монтажно-демонтажных работ, непосредственно в проточной части фильтра;
- оперативно в дистанционном или автоматическом режиме плавно или ступенчато регулировать параметры фильтра, изменяя архитектуру фильтровальной решетки;
- оперативно в дистанционном или автоматическом режиме осуществлять безразборную многократную регенерацию фильтра.
4. Разработки имеют как теоретическое (научно-техническое и учебно-методическое), так и практическое значение.
Статья поступила 06.11.2015 г.
Библиографический список
1. А. с. 1009493 СССР, МПК В 01 D 35/06. Магнитный фильтр / А.Г. Семенов. № 3383591; заявл. 21.01.82; опубл. 07.04.83. Бюл. № 13. 6 с.
2. А. с. 1117074 СССР, МПК В 01 D 35/06. Магнитный фильтр. / А.Г. Семенов № 3587197; заявл. 15.03.83; опубл. 07.10.84. Бюл. № 37. 4 с.
3. А. с. 965472 СССР, МПК В 01 D 35/06. Магнитный
фильтр / Б.Г. Афанасьев, А.Г. Семенов. № 3263706; заявл. 25.03.81; опубл. 15.10.82. Бюл. № 38. 6 с. 4. Семенов А.Г., Скутельник В.В., Маломыжев О.Л. Техническое обеспечение управляемой магнитной фильтрации жидкостей и газов // Вестник ИрГТУ. 2014. № 6. С. 69-74.
