Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 7
1.1. Условия работы воздухоочистителей МЭС и характеристики сельскохозяйственных пылей 7
1.2. Параметры системы очистки воздуха и их влияние на эффективность работы двигателей МЭС 11
1.3. Классификация воздухоочистителей и сухие способы
очистки воздуха от пыли 17
1.3.1. Классификация воздухоочистителей 17
1.3.2. Инерционно - центробежная очистка воздуха 20
1.3.3. Очистка воздуха пористыми фильтрующими материалами 22
1.3.4. Электрическая очистка воздуха 33
1.4. Испытания воздухоочистителей 35
1.5. Выводы и задачи исследования 39
2. Теоретическое обоснование способов повышения эффективности очистки воздуха в дизелях 42
2.1. Методические принципы исследований по оценке эффективности очистки воздуха в дизелях 42
2.1.1. Общая методика исследования 42
2.1.2. Описание проблемной ситуации 45
2.1.3. Выбор методических средств решения проблемы 46
2.1.4. Описание процесса решения 48
2.2. Движение пылевых частиц в циклоне 58
2.3. Движение пылевоздушного потока через фильтр 62
2.4. Движение заряженных частиц пыли в электростатическом
поле 67
2.5. Процесс очистки воздуха в комбинированном воздухоочистителе 68
2.6. Процесе выделения пылевых частиц из воздушного потока в комбинированном воздухоочистителе 73
2.7. Выводы 75
3. Программа и методика экспериментальных исследований 76
3.1. Задачи, программа и объект исследования 76
3.2. Замеряемые величины, приборы и оборудование экспериментальных исследований 83
3.2Л. Установка для безмоторных испытаний воздухоочистителя 84
3.2.2. Установка для испытания воздухоочистителя на двигателе 87
3.2.3.Лабораторно-полевая установка для испытания ВО 89
3.2.4. Лабораторно-полевой источник питания 91
3.3. Методика определения характеристик с/х пылей 97
3.3.1. Выбор пыли для испытаний 97
3.3.2. Методика определения электрических свойств пыли 99
3.4. Методика проведения лабораторных испытаний ВО 101
3.4.1. Методика испытания на безмоторном стенде 101
3.4.2. Методика испытания на моторном стенде 103
3.4.3. Методика экспериментального определения конструктивных параметров электростатической ступени воздухоочистителя 106
3.4.4. Методика измерения закрутки воздушного потока вокруг фильтрующего элемента воздухоочистителя 109
3.5. Методика проведения полевых испытаний воздухоочистителя 111
3.6. Методика оценки разгерметизации ВВТД дизеля МЭС 113
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 115
4.1. Характеристики сельскохозяйственных пылей 115
4.1.1. Минералогический состав 115
4.1.2. Морфология частиц пыли 116
4.1.3. Дисперсный состав 118
4.1.4. Электрические свойства сельскохозяйственных пылей 119
4.2. Лабораторные испытания воздухоочистителя 120
4.2.1. Результаты испытаний фильтрующих материалов 122
4.2.2. Закрутка воздушного потока вокруг фильтрующего элемента 139
4.2.3. Конструктивные и технологические параметры электростатической ступени воздухоочистителя 144
4.3. Полевые испытания воздухоочистителя 150
4.3.1. Результаты испытаний фильтрующих элементов 151
4.3.2. Испытание электростатической ступени 171
4.4. Оценка величины разгерметизации ВВТД и влияние величины аэродинамического сопротивления воздухоочистителя на мощностные, экономические и экологические показатели дизеля 177
4.4.1. Оценка разгерметизации 177
4.4.2. Влияние аэродинамического сопротивления на мощностные и экономические показатели дизеля 179
4.4.3. Влияние электростатической ступени воздухоочистителя на состав выхлопных газов дизельного двигателя 180
4.5. Выводы 183
5. Рекомендации по расчету параметров, рациональному применению и техническому обслуживанию системы очистки воздуха 185
5.1. Расчет параметров комбинированного воздухоочистителя 185
5.2. Комплектование и техническое обслуживание системы очистки воздуха с комбинированным воздухоочистителем 186
Экономическая эффективность усовершенствованной системы очистки воздуха дизелей мэс 188
Общие выводы 198
Литература 201
Приложения 220
- Параметры системы очистки воздуха и их влияние на эффективность работы двигателей МЭС
- Методические принципы исследований по оценке эффективности очистки воздуха в дизелях
- Замеряемые величины, приборы и оборудование экспериментальных исследований
- Конструктивные и технологические параметры электростатической ступени воздухоочистителя
Введение к работе
Надежная и эффективная работа современных мобильных энергетических средств (МЭС) сельскохозяйственного назначения (тракторов, самоходных уборочных машин и т.п.) во многом зависит от степени очистки воздуха, поступающего в дизели этих машин.
В отечественной и зарубежной практике наибольшее применение получили воздухоочистители (ВО) с бумажными фильтрующими элементами (БФЭ), обладающие высокой и стабильной степенью очистки воздуха, низким начальным аэродинамическим сопротивлением, широкими компоновочными возможностями, сравнительно меньшей по отношению к другим типам существующих воздухоочистителей трудоемкостью обслуживания. Одним из основных недостатков таких воздухоочистителей является необходимость в периодической замене фильтрующих элементов и их частом техническом обслуживании, заключающемся в продувке сжатым воздухом и промывке в моющем растворе с последующей сушкой.
В связи с постоянным увеличением парка сельскохозяйственной техники и его разнородностью потребность в фильтрующих элементах возросла до нескольких десятков миллионов штук в год. Для производства такого количества фильтрующих элементов расходуются тысячи тонн картона, листового металла, сотни тонн клея и пластизоля, миллионы штук резиновых уп-лотнительных прокладок ежегодно, что вызывает определенные трудности как при производстве, так и при распределении и доставке БФЭ сельскохозяйственным предприятиям.
Обслуживание фильтрующих элементов снижает напряженность в их замене, но повышает вероятность разгерметизации фильтрующей шторы (проколы, прорывы) и как следствие увеличение износа двигателя. Кроме того, обслуживание БФЭ снижает культуру производства, а после использования БФЭ необходима система утилизации, что связано с требованиями экологии.
Целью диссертации является повышение эффективности работы МЭС за счет улучшения процесса очистки воздуха в их дизелях при длительном использовании машин.
Научную новизну диссертации составляют:
теоретическое описание процесса очистки воздуха в комбинированном воздухоочистителе, одновременно сочетающем центробежный и электростатический процессы очистки;
усовершенствованный метод полевых испытаний систем очистки воздуха, включающей ВО с ФЭ и впускной воздушный тракт двигателя (ВВТД);
- результаты теоретических и экспериментальных исследований по
увеличению ресурса ФЭ сухого типа и снижению затрат на обслуживание
воздухоочистителей.
На защиту выносятся:
теоретическое описание процесса очистки воздуха в комбинированном воздухоочистителе, одновременно сочетающем центробежный и электростатический процессы очистки;
усовершенствованный метод полевых испытаний систем очистки воздуха;
результаты исследований по повышению эффективности работы системы очистки воздуха путем применения новых фильтрующих материалов и электростатической ступени очистки.
Настоящая работа выполнялась на кафедрах "Тракторы и автомобили" и "Механика" Воронежского агроуниверситета им. К.Д. Глинки в соответствии с комплексной темой № 12, разделом № 12.4. «Повышение эффективности работы систем очистки воздуха и совершенствование способов их обслуживания для двигателей и кабин МЭС». Автор выражает глубокую признательность кандидату технических наук, доценту Сухинину В.Е. как научному руководителю раздела 12.4. плана НИР ВГАУ за помощь при работе над диссертацией.
Параметры системы очистки воздуха и их влияние на эффективность работы двигателей МЭС
Эффективность очистки воздуха от пыли оценивается при помощи коэффициента очистки ц или коэффициента пропуска є, между которыми имеется следующая связь: є = 100 —ті (1.1) Коэффициент очистки определяется по формуле: щ = 00% = 100%, (L2) тх тх где mi , т2 , Шз - соответственно масса пыли, поступившей в воздухоочиститель, уловленной и пропущенной им; или через величину запыленности воздуха: 77 = 1-- 00%, (1.3) где фі и ф2 - соответственно запыленность воздуха на входе в воздухоочи-ститель и на выходе из него, г/м , мг/м .
Ввиду того, что износ деталей, в конечном счете, зависит не от количества уловленной, а от количества пропущенной пыли, то при оценке систем очистки воздуха пользуются коэффициентом пропуска. Кроме этого, иссле дованиями [106] также установлено, что коэффициент пропуска определяет не только количество, но и дисперсный состав пропущенной пыли.
Для дизелей без наддува ВО с БФЭ согласно ГОСТ [29] должны иметь средний коэффициент пропуска пыли, не более 0,2%. Такое допустимое значение его в определенной степени связано с требуемым ресурсом двигателя. Воздухоочистители с БФЭ обеспечивают улавливание частиц пыли выше 2-3 мкм, что считается достаточным для ресурса дизелей до 10-12 тыс. моточа сов [102, 107].
Оценка эффективности очистки воздуха воздухоочистителем в эксплуатации отсутствует. Для ремонтного производства предложена проверка дисперсного состава пропущенной пыли ВО с БФЭ, которую рекомендуется проводить прибором ПКЗВ-905 [116].
Основным параметром системы воздухообеспечения также является гидравлическое (аэродинамическое) сопротивление. Оно оказывает влияние на показатели рабочего процесса двигателя. В частности, при повышении сопротивления воздухоочистителя Ар снижается коэффициент наполнения цилиндров rjv , а, следовательно, ухудшаются эффективные и экономические показатели работы двигателя. Специальные опыты, проведенные на тракторных двигателях СМД-14, Д-50, Д-37М, А-01М, и ЯМЗ-238НБ (с турбонадду-вом) с различным смесеобразованием, позволили экспериментально определить зависимость значений Ne и ge от сопротивления на впуске Ар. В среднем, повышение сопротивления тракторных дизелей на каждые 100 мм.вод.ст.(1 КПа) вызывает увеличение удельного расхода топлива и уменьшение мощности примерно на 0,3-0,5% [106]. Предельное сопротивление воздухоочистителя для двигателей без турбонаддува должно быть не более 700 мм. вод. ст.(7 КПа), а с наддувом - 500 мм. вод. ст. (5 КПа).[29]. Для ВО с БФЭ контроль предельного гидравлического сопротивления осуществляется по индикатору засоренности визуального типа механического действия или звуковому индикатору.
На ряде тракторных двигателей применяются воздухоочистители с эжекционным отсосом пыли, эжекторы которых устанавливаются в выпускной системе двигателя. Применение вихревого эжектора на двигателе СМД-14 вызывает повышение противодавления на выпуске при работе двигателя на номинальном режиме в среднем на 350 - 400 мм. вод. ст. (3,5-4 КПа), что приводит к потерям мощности до 1,5% [83].
Для двигателей с наддувом увеличение гидравлического сопротивления впускного и выпускного трактов приводит к ухудшению работы турбо 13 компрессора (вплоть до выхода из строя), в связи с чем, на таких двигателях предпочтительней устанавливать воздухоочистители, работающие без эжек-ционых устройств, однако на современных дизелях семейства СМД эжекци-онное удаление пыли применяется до настоящего времени [44].
К основным параметрам системы очистки воздуха ДВС относится и пылеемкость. Пылемкость ВО - это способность поглощать определенное количество пыли до достижения предельно допустимой величины сопротивления или ухудшения эффективности его работы. У современных тракторных воздухоочистителей с БФЭ пылеемкость лимитируется ростом сопротивления, а не снижением эффективности очистки. Пылеемкость воздухоочистителя определяется количеством уловленной пыли т3 или продолжительностью t его работы, которые при данной запыленности воздуха зависят от предельной величины гидравлического сопротивления.
Методические принципы исследований по оценке эффективности очистки воздуха в дизелях
Решение поставленных задач осуществлялось с позиций системного подхода к данной проблеме. Структурная схема общей методики исследований системы очистки воздуха представлена на рис.2.1.
Для поиска путей решения проблемы выбран метод научно-технического творчества, с помощью которого определяется техническое противоречие. На основе анализа технического противоречия при помощи выбранного метода оно разрешается путем получения нескольких технических ответов, по одному из которых принимается решение по подаче заявки на изобретение. Затем теоретически решается вопрос о процессе очистки воздуха в комбинированном воздухоочистителе, сочетающем центробежный и электростатический процессы отделения пылевых частиц от воздуха, выбираются конструктивные и режимные параметры ВО, разрабатывается математическая модель процесса, для чего выбираются исходные данные и составляются уравнения процесса очистки. Для получения достоверных результатов исследуются сельскохозяйственные и испытательные пыли с различными дисперсным, минералогическим, морфологическим составами, степени заряженности и другими физико-механическими свойствами. Исследуются также различные фильтрующие материалы, применяемые для очистки воздуха, определяются их начальные величины аэродинамического сопротивления и эффективности очистки и изменение этих параметров в процессе запыливания, даются критерии для оценки их качества.
Также определяются регенерирующие свойства фильтрующих материалов. Справедливость полученных результатов и сделанных по ним выводов проверяется исследованиями на модельных фильтрах на безмоторном стенде.
Для проведения указанных работ реконструируются, конструируются и изготавливаются опытные образцы фильтров и воздухоочистителей, экспериментальные установки, отрабатываются методики исследований и испытаний. Конечным результатом теоретических и лабораторных исследований является разработка рекомендаций по расчету воздухоочистителей, оптимальному режиму работы фильтрующих элементов, по их фильтрующим и механическим показателям.
Одновременно ведутся работы по подбору конструкции и геометрических размеров фильтрующих элементов, оптимальному размещению в них фильтрующего материала и определению условий работы ФЭ совместно с различными первыми ступенями очистки воздухоочистителей. В результате этих и лабораторных исследований создаются опытные образцы воздухоочистителей, проводится совершенствование существующих конструкций для дизельных двигателей МЭС. Затем проводится тщательная проверка их характеристик на лабораторно-полевой установке. В условиях реальной эксплуатации определяется работоспособность и надежность опытных конструкций ВО и ФЭ, а также отрабатывается методика лабораторно-полевых испытаний и аппаратура, обосновывается величина ресурса до технического обслуживания в эксплуатации и способ оценки величины разгерметизации ВВТД. На моторном стенде определяется влияние сопротивления ВО на мощностные, экономические и экологические показатели дизеля.
В заключении дается расчет экономического эффекта, получаемого от применения на дизельных двигателях МЭС более эффективной системы очистки воздуха в сравнении с серийной.
Как отмечалось в первой главе, для очистки воздуха, поступающего в ДВС, применяются в настоящее время четыре типа воздухоочистителей: - инерционные; - контактно-масляные; - сухие с фильтрующим элементом; - комбинированные.
В последние годы наибольшее применение находят сухие воздухоочистители с бумажным фильтрующим элементом. В качестве первой ступени очистки используется моно или мультициклоны. Данные ВО обладают высокой степенью очистки (эффективностью) и низким начальным сопротивлением потоку воздуха, но быстро забиваются, особенно при высокой запыленности воздуха при выполнении сельскохозяйственных полевых работ, при движении по грунтовым дорогам и работе с пылящими грузами.
Засоренный фильтр имеет большое гидравлическое сопротивление, для уменьшения которого фильтр необходимо вынимать из воздухоочистителя и обслуживать путем продувки сжатым воздухом и промывке в моющем растворе с последующей сушкой и контролем герметичности. Большое гидравлическое сопротивление снижает эффективные и экономические показатели двигателя.
Если пыль не удалять, то она, кроме того, при смене влажности воздуха адсорбирует влагу и коагулирует в фильтрующем элементе, а затем ее трудно извлечь продувкой, кроме как мыть. Мойка фильтрующего элемента не дает идеального результата - изменяется структура фильтрующего материала и нарушается механическая прочность (прорывы фильтрующей шторы).
Замеряемые величины, приборы и оборудование экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования новой системы очистки воздуха состояли из следующих этапов: лабораторные исследования электрофизических свойств с/х пылей - морфологии, дисперсного и химического составов, электрического сопротивления; лабораторные испытания воздухоочистителей, фильтрующих элементов и материалов на безмоторном стенде, лабораторно-полевые испытания ВИЭП и воздухоочистителя с электростатической ступенью, оценка герметичности ВВТД.
При испытаниях воздухоочистителей на безмоторном стенде измерялись или рассчитывались по экспериментальным данным следующие величины: коэффициент очистки или пропуска, коэффициент самоочистки, гидравлическое (аэродинамическое) сопротивление, пылеемкость, перепад давлений на диафрагме, масса абсолютного фильтра до опыта и после, масса ФЭ до опыта и после, время опыта, температура и давление окружающего воздуха, размер частиц пыли пропущенных ВО, расход воздуха через воздухоочиститель.
При испытании нового воздухоочистителя дополнительно измерялись напряжение, сила тока на коронирующих и осадительных электродах, на высоковольтных источниках электропитания.
При моторных испытаниях замерялись расход топлива двигателем, давление и температура масла в двигателе, частота вращения коленчатого вала, показания весового механизма электротормоза, температура выхлопных газов, расход воздуха и состав отработанных газов.
Исходя из задач и программы исследований опытного ВО и системы очистки в целом, использовались следующие установки: безмоторный и моторный стенды, установка для лабораторно-полевых испытаний, приборы для измерения различных величин и другое необходимое оборудование.
Установка для безмоторных испытаний воздухоочистителей Для безмоторных испытаний воздухоочистителей применяется безмоторный стенд, установленный в лаборатории кафедры тракторов и автомобилей ВГАУ. Безмоторный стенд (рис.4.3) состоит из следующих узлов, агрегатов и приборов: пыледозатор 1, распылитель пыли 2, компрессор 3, пылевая камера 4, испытываемый воздухоочиститель (фильтр) 5, штуцер для замера сопротивления ВО 6, трубопровод для отбора проб воздуха 7, прибор для определения фракционной эффективности воздухоочистителя ПКЗВ-905 - 8, краны 9 для изменения направления воздушного потока по основной 11 и дополнительной 12 трубам, абсолютный фильтр 10, термометр для измерения температуры воздуха в трубопроводе 13, штуцер 14 для замера сопротивления перед диафрагмой 15, штуцер 16 для замера перепада давления на диафрагме, вентиль для регулировки расхода воздуха 17, вакуум-насос 18 с ресивером 19 для отделения воды, водяные пьезометры 20, установленные на приборной доске 21, термометр для определения температуры воздуха 22 в лаборатории, барометр-психрометр 23.
Для создания вакуума использовался водокольцевой вакуум-насос ВВН-3. Замер расхода воздуха через воздухоочиститель производился нормальной диафрагмой, изготовленной согласно Правил РД 50-213-80 [130].
Перепад давления в диафрагме, в основной трубе, производится водяным пьезометром. Замер сопротивления воздухоочистителя и абсолютного фильтра осуществлялся также водяными пьезометрами 20.
Установка работает следующим образом. При работе вакуум-насоса 18, за счет разряжения, создаваемого им, воздух поступает через воздухоочиститель, трубопровод отбора проб воздуха 7 и абсолютный фильтр 10 поступает в основную трубу 11, и выходит через выхлопной встроенный патрубок вакуум-насоса и ресивера в атмосферу. При проведении пылевых испытаний включается пыледозатор 1 и компрессор 3. Абсолютный фильтр 10 служит для задержания пропущенной воздухоочистителем 5 пыли. Расход воздуха через воздухоочиститель регулируется вентилем 17, температура воздуха в основной трубе контролируется термометром 13. Замер разряжения во всех необходимых точках производится водяным пьезометром 20, расположенным на приборной доске
Конструктивные и технологические параметры электростатической ступени воздухоочистителя
Одной из основных характеристик коронного разряда является вольт-амперная характеристика, представляющая собой зависимость силы тока коронного разряда от приложенного к элементу электрической цепи напряжения. Вольтамперная характеристика определяет мощность, потребляемую коронным разрядом, используется для регулирования процессов очистки воздуха, а также позволяет находить степень зарядки частиц, силы, действующие на частицы, а также давать количественную оценку производству ионов По вольт- амперной характеристике судят о степени эффективности различных коронирующих электродов. Нами были сняты вольтамперные характеристики различных систем коронирующих электродов, которые могли бы быть применены для электростатической ступени воздухоочистителя (рис. 4.13 и рис. 4.14).
Вольтамперная характеристика электростатической ступени в большой степени зависит от конструктивных факторов: расстояния между электродами формы и диаметра коронирующих и осадительных электродов. В соответствии с предложенными конструкциями воздухоочистителей для ДВС (патенты № 2079693, № 2096650 и №2145676) электростатическая ступень состоит из ионизатора (устройства для зарядки пылевых частиц ) и осадителя (устройства для выделения частиц из воздушного потока). Таким образом, она представляет собой двухзонный электрофильтр (электроциклон с ионизатором). Для ионизатора и осадителя характерны различные типы коронирующих электродов.
На рис 4.13. показаны полученные экспериментально при температуре 20 С в воздушной среде вольтамперные характеристики трубчатого ионизатора с коронирующими электродами разной формы и диаметра. Из приведенных кривых видно, что величина потребляемого тока при одинаковом напряжении выше у игольчатых электродов, она также больше при меньшем значении межэлектродного расстояния. На графике представлены данные для ионизатора длиной 0,5 м.
В электроциклоне применен коронирующий электрод в виде проходного болта с размещенными на нем поочередно перфорированными дисками и изоляторами. У данного типа электрода значение тока выше при меньшем значении межэлектродного расстояния между краем диска и корпусом. Этот тип коронирующего электрода принят для дальнейшего исследования, так как представляет жесткую конструкцию и удовлетворяет условиям эксплуатации мобильной техники. Вибрации и тряска не влияют на изменение межэлектродного расстояния, не происходит искрового разряда, так как у первых трех.
Второй зоной электростатической ступени является осадитель (корпус ВО с изолированным от корпуса фильтрующим элементом). В качестве коронирующего электрода выступает ФЭ . Нами сняты вольтамперные характеристики трех конструкций: 1 - обечайка фильтра изготовлена из пористой нержавеющей стали; 2 - на бумажном фильтрующем элементе размещен нетканый предфильтр из лавсана; 3 - непосредственно бумажный фильтрующий элемент с боковой поверхностью, выполненной в виде перфорированной обечайки. Как видно из графических зависимостей (рис. 4.14.), металлические 149 поверхности ПНС и обечайки БФЭ потребляют практически одинаковый (значительно меньшей величины по сравнению с ионизатором) ток. Нетканый предфильтр выполняет роль изолятора. В дальнейшем его предложено окрашивать токопроводящей краской или применять в качестве предфильтра уг-леткань или углевойлок.
Для данного разрядного промежутка осадителя значение напряжения приблизительно в два раза меньше, чем на коронирующем электроде ионизатора, что соответствует конструктивным представлениям о двухзонных электрофильтрах, применяемых в промышленности и системах кондиционирования воздуха.
Как известно, степень очистки воздуха в электрофильтрах возрастает с увеличением мощности коронного разряда и с улучшением распределения плотности тока в разрядном промежутке [177]. Система коронирующих электродов, примененная в электроциклоне с ионизатором, относится к системе «игла-плоскость». Такие электроды позволяют значительно интенсифицировать процесс электроочистки и в настоящее время широко применяются в промышленности. Игла представляет собой перфорированный диск с заостренными краями. Перфорации в диске выполнены с целью уменьшения аэродинамического сопротивления.
Для определения конструктивных параметров данной системы электродов был приведен эксперимент по методике, изложенной в п.3.4.3.
Методами корреляционно-регрессионного анализа были установлены следующие зависимости между равномерностью распределения плотности тока и величинами U, d, h ; dh = -2333Ai/i + 2583 при Аі І і = 0, d h = 2583, что в практических расчетах без особой потери точности можно принять d h = 2600.
