CC BY
35
СТРОИТЕЛЬНЫЕ И ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ И АВТОМОБИЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ
УДК 69.024.12:696.121+69.002.5
В. И. МЕЛЬКОВ, канд. техн. наук, доцент,
Н.В. ГЕРАСИМЧУК, асп.
ФИЛЬТРОЦИКЛОННЫЙ ОЧИСТИТЕЛЬ ВОЗДУХА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Предложен фильтроциклонный очиститель воздуха, работающий на принципе выделения чистого воздуха из загрязненной среды. Представлены результаты сравнительных испытаний очистителей воздуха, используемых для создания топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания.
Нормальная работа двигателей внутреннего сгорания невозможна без использования для создания топливной смеси очищенного от пыли воздуха. Применяемые технологии подготовки воздуха для ДВС предполагают подачу загрязненного воздуха в очиститель, отделение воздуха от пыли, сбор пыли на фильтроэлементе или в отстойнике и подачу очищенного воздуха в двигатель. Фильтроциклонный очиститель, созданный по а.с. № 1580627 [1], забирает только чистый воздух из окружающей атмосферы, оставляя пыль. Исключение сбора и хранения пыли уменьшает энергоемкость и габариты очистителя, увеличивает время фильтроцикла.
Фильтроциклонный очиститель представляет собой подвижный тканевый фильтр, помещенный в гидроциклон. В очистителе применяется двухступенчатая схема очистки. На первой ступени работает прямоточный гидроциклон, освобождая воздух от тяжелых и крупных частиц за счет центробежного эффекта. На второй ступени воздух очищается от легких и достаточно мелких частиц загрязнений с помощью тканевого виброфильтра. Вибрация фильтро-элементу задается транзитным потоком воздуха, проходящим через гидроциклон. Фильтроэлемент работает в режиме поверхностной очистки, практически не концентрируя загрязнения в порах и на поверхности фильтрующего полотна. Вибрация фильтрующего полотна, возникающая от воздействия транзитного потока, способствует удалению частиц загрязнений с поверхности фильтроэлемента.
С целью оценки возможностей вибрационного фильтроциклона проведены гидравлические, технологические и ресурсные испытания фильтроци-клона и других применяемых в практике воздухоочистителей на специальном
стенде, состоящем из воздуходувки, пылевой камеры, устройств регулирования расхода и контроля качества воздуха (рис. 1).
Гидравлические испытания проводились на чистом воздухе. В процессе испытаний строились совместные характеристики испытуемых устройств и воздуходувки. Целью гидравлических испытаний воздухоочистителей является определение гидравлических потерь вибрационного фильтроциклона и сравнение их с гидравлическими потерями применяемых воздухоочистителей.
3 6 8
Рис. 1. Гидравлическая схема стенда:
1, 4, 6, 7, 11, 12 - регулировочные вентили; 2 - пылевая камера;
3 - воздухоочиститель; 5 - фильтрующий патрон; 8 - воздуходувка;
9 - дифманометр; 10, 13 - расходомеры; 14 - дозатор
Опыт эксплуатации двигателей показывает, что при повышении сопротивления воздухоочистителя снижается коэффициент наполнения цилиндров, а, следовательно, ухудшаются эффективные и экономические показатели работы двигателя. Для карбюраторных двигателей увеличение сопротивления на 1 кПа вызывает снижение мощности двигателя на 1,3%. Для тракторных дизелей, работающих с турбонаддувом, повышение сопротивления воздухоочистителей на 1 кПа вызывает увеличение удельного расхода топлива и уменьшение мощности на 0,3-0,5%. Допустимая величина сопротивления воздухоочистителя для двигателей, работающих без турбонаддува, не должна превышать Ар = 7 кПа [2].
Порядок проведения гидравлических испытаний предполагал:
- построение рабочей характеристики воздуходувки;
- получение рабочих характеристик воздухоочистителей;
- определение условий совместной работы воздухоочистителей с воздуходувкой;
- исследование динамики изменения сопротивления эксплуатируемых воздухоочистителей.
Рабочая характеристика воздуходувки строится при постоянных оборотах рабочего колеса и 8-10 положениях наружного дросселя 11 (рис. 1). В процессе испытаний фиксируется расход в системе анемометром 10 и напор - дифманометром 9. Испытания проводились в отсутствии воздухоочистителей и пыли.
Для построения характеристик воздухоочистителя он устанавливался во всасывающую линию стенда. Рабочие характеристики строились по показателям дифманометра 9 и анемометра 10 при переменной подаче воздуходувки. Подача воздуходувки изменялась регулированием скорости приводящего электродвигателя с помощью автотрансформатора. Результаты полученных измерений представлены на графике (рис. 2) в том же масштабе, что и рабочая характеристика воздуходувки.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 ^ 3 ,
У, м3/ч
Расход воздуха
Рис. 2. Результаты гидравлических испытаний:
Д - гидроциклон; X - вибрационный фильтроциклон; О - сухой фильтр;
• - инерционно-масляный воздухоочиститель; ▲ - воздуходувка
Точка А пересечения характеристики генератора (воздуходувки) и потребителя (воздухоочистителя) является рабочей точкой и определяет давление и подачу нагнетателя при работе на данную сеть.
Сравнение гидравлических характеристик воздухоочистителей указывает, что максимальные потери давления обеспечивают гидроциклоны. Причем, чем меньше их диаметр, тем больше сопротивление и потребляемая ими мощность. Поэтому с целью снижения потребляемой мощности представляется необходимым параллельная установка гидроциклонов.
Сравнительно высоким гидравлическим сопротивлением обладает инерционно-масляный фильтр. Потребляемая им мощность, определяемая произведением давления на расход в рабочей точке А2 (рис. 2), также велика. Снижение гидравлических потерь параллельной установкой масляных очистителей представляется сложным и материалоемким проектом.
Сравнительно малым гидравлическим сопротивлением и потребляемой мощностью отличается комбинированный двухступенчатый фильтр. На первой ступени его работает моноциклон, на второй сухой фильтроэлемент.
Минимальную мощность потребляет фильтроциклон, на входе которого установлен проточный гидроциклон, после которого воздух поступает в вибрационный рукавный фильтр.
Таким образом, сравнение гидравлических характеристик инерционных, инерционно-масляных, инерционных с сухим фильтроэлементом и фильтроциклонных с вибрирующим фильтроэлементом воздухоочистителей показали, что при прочих равных условиях:
- минимальное гидростатическое сопротивление имеет фильтроциклонный воздухоочиститель;
- конструкция фильтроциклонного воздухоочистителя обеспечивает необходимую степень регенерации фильтроэлемента в процессе его эксплуатации.
Технологические испытания проведены с целью сравнения испытуемого фильтроциклона с применяемыми воздухоочистителями по показателям, характеризующим качество очищаемого воздуха.
Поскольку износ двигателя зависит от пропущенной воздухоочистителем пыли, то и при оценке качества работы воздухоочистителей был принят коэффициент пропуска е, определяющий процент пыли, пропущенной воздухоочистителем.
Исходный воздух, используемый в опытах, имел запыленность ф1 = 50 мг/м3, что соответствует запыленности воздуха при движении автомобилей-самосвалов по грунтовой дороге.
Технологические испытания проводятся при закрытом вентиле 11 (рис. 1). Исходный воздух при этом подается через вентиль 1 в воздухоочиститель 3, где делится на поток очищенного воздуха, проходящего через вентиль, и транзитный поток, замкнутый через воздуходувку 8 и вентиль 12 на вход в воздухоочиститель. Таким образом, обеспечивается транспортировка пыли в замкнутом контуре.
Концентрация пыли в транзитном потоке воздуха задается и поддерживается в процессе испытаний с помощью пылевой камеры 2, снабженной высокоточным дозатором и обратной связью по давлению.
Контроль качества очищенного воздуха осуществляется при закрытом вентиле 7 и открытом вентиле 4. При этом очищенный воздух проходит через фильтрующий патрон 5. Фильтроэлемент патрона предварительно взвешивается на весах с точностью 0,002 мг. Воздух пропускается в течение 5-10 минут, после чего фильтроэлемент взвешивается повторно, определяется масса пыли, пропущенной воздухоочистителем и рассчитывается запыленность чистого воздуха по формуле
т
ф2 = • (1)
где т - масса пыли, мг;
в13 - расход чистого воздуха, м3;
^ - время работы воздухоочистителя, ч.
Запыленность исходного воздуха в системе ф2 поддерживается постоянной с помощью пылевой камеры. Коэффициент пропуска пыли рассчитывается по формуле
8 = ф2 -100%. (2)
Ф1
Энергетические параметры: расход и давление при технологических испытаниях задаются частотой вращения рабочего колеса воздуходувки, контролируются расходомером 13 и дифманометром 9.
Зависимости коэффициента пропуска воздухоочистителя от относительного расхода воздуха, представленные на рис. 3, показывают:
- Максимальный пропуск пыли допускает одноступенчатая инерционная решетка. Причем минимальное значение е = 6% наблюдается при максимальном расходе воздуха, очевидно, именно при больших скоростях воздуха инерционные силы обеспечивают максимальный эффект очистки воздуха.
- Коэффициент пропуска достигает 3,5% при использовании инерционной решетки и мультициклонов, установленных параллельно.
- В пределах от 10% до 1% изменяется коэффициент пропуска двухступенчатых инерционно-масляных воздухоочистителей. Большая разница в коэффициентах пропуска объясняется значительным влиянием гидроциклонной предварительной очистки на работу масляного фильтра, формирующего конечный результат, поскольку, как известно, с уменьшением расхода правильно рассчитанный гидроциклон снижает эффект очистки, а фильтр его увеличивает.
- Незначительное от 1,5% до 1% изменение коэффициента пропуска вибрационного фильтроциклона отличает слабое влияние гидроциклона на работу виброфильтра, эффективность очистки которого с увеличением расхода возрастает за счет деформации фильтрующей сетки.
- Минимальное значение коэффициента пропуска е = 0,5% получено с помощью воздухоочистителя, состоящего из инерционной решетки и сухого фильтроэлемента объемного типа.
Расходный коэффициент Рис. 3. Результаты технологических испытаний воздухоочистителей:
Д - гидроциклон; X - вибрационный фильтроциклон; ■ - инерционная решетка; О - сухой фильтр; • - инерционно-масляный воздухоочиститель
Ресурсные испытания фильроциклона проводились по методике гидравлических испытаний на запыленном воздухе.
Так как расход воздуха, используемого двигателем, зависит от оборотов двигателя, представляется целесообразным коэффициент пропуска е находить в зависимости от относительного расхода, %
а=-100%. (3)
*^шах
Важное значение при эксплуатации воздухоочистителя оказывает динамика изменения его характеристик с течением времени. Как видно из графи-
ков (рис. 4), при одинаковой запыленности исходного воздуха (ф1 = 50 мг/м3), наибольшее изменение гидравлического сопротивления с течением времени наблюдается у инерционно-масляного воздухоочистителя. Уже через 8 часов непрерывной работы его гидравлическое сопротивление достигает предельно допустимого значения, после которого необходимы регенерация или замена воздухоочистителя.
0 2 4 6 8 10 12
Т, ч
Время работы
Рис. 4. Результаты ресурсных испытаний воздухоочистителей:
Д - гидроциклон; X - вибрационный фильтроциклон;
О - сухой фильтр; • - инерционно-масляный воздухоочиститель
Лучшую динамику имеет сухой фильтр. Срок его службы более чем в два раза выше, чем у инерционно-масляного.
Устойчиво сохраняют свои служебные свойства в пределах времени испытаний инерционный и фильтроциклонный воздухоочистители. Вместе с тем гидравлические потери, а следовательно, и затраты мощности на очистку воздуха у инерционного воздухоочистителя более чем в 3 раза превышают аналогичные для вибрационного фильтроциклона.
Динамика изменения гидравлического сопротивления сухого воздухоочистителя, использующего объемное фильтрование, хорошо видна из графика ускоренных испытаний воздухоочистителя при запыленности исходного воздуха ф1 = 180 мг/м3. Здесь первое снижение гидравлического сопротивления является результатом очистки сухого фильтроэлемента обратной продувки воздуха, второе падение сопротивления является следствием динамического встряхивания фильтроэлемента.
Таким образом, результаты проведенных лабораторных исследований показывают, что из испытанных устройств лучшими показателями качества очистки обладают воздухоочистители, состоящие из инерционного предочи-стителя и сухого фильтроэлемента. Показатели качества воздуха на выходе таких устройств задаются служебными свойствами фильтроэлемента и практически не зависят от расхода очищаемого воздуха.
Время работы воздухоочистителей с сухими фильтроэлементами зависит от срока службы фильтроэлемента. Фильтроциклон, использующий в качестве фильтроэлемента рукавный фильтр, работающий в режиме поверхностной очистки, обладает большим временем фильтроцикла и может значительно снизить эксплуатационные затраты и облегчить обслуживание машины.
Библиографический список
1. А.с. № 1580627. Вибрационный фильтр / В.И. Мельков. - Б.И., 1990, № 20.
2. Р.А. Дьяков, В.Н. Пресняков, Г.В. Бойцов. Очистка воздуха в двигателях внутреннего
сгорания. - М.: ВНИИ ИНФОРМТЯЖМАШ, 1974. - 63 с.
Материал поступил в редакцию 10.01.04.
V.I. MELKOV, N.V. GERASIMCHUK
FILTER CYCLONE PURIFIER OF AIR FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
The paper considers filter cyclone purifier working on a principle of allocation of clean air from the polluted environment. The results of comparative tests of purifiers used for creation of a fuel mix in the internal combustion engines are presented.
