Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
3.59 Mб
Скачать

Глава 12 система воздухопитания

  1. ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛИ

Основным требованием, предъявляемым к системам воздухо- очистки, является минимально возможное гидравлическое сопроти­вление этих систем, что необходимо для снижения затрат энергии на газообмен и повышения наполнения цилиндров. Конструктивно система должна иметь наименьшие габариты и массу, для чего она объединяется с элементами шумоглушения ьиуска. Особое внима­ние при этом уделяется выбору размеров и геометрической формы элементов воздухоочистителя и глушителя шума впуска, что позво­ляет использовать нестационарные явления потока свежего заряда для улучшения наполнения цилиндров. В грузовых автомобилях променяют выносные системы воздухозабора с размещением в них фильтрующих элементов. Нередко воздухозаборник грузовых авто­мобилей располагается над кабиной или совмещен со стойкой- рамой ветрового стекла, что позволяет обеспечить забор воздуха с высоты 2,0...2,5 м, т. е. из зоны с пониженным оылесодержаннем. У легковых автомобилей воздух забирается из-под капота автомо­биля. Место размещения воздухозаборника определяется экспери­ментальным путем.

В атмосферном воздухе в большем или меньшем количестве всегда присутствуют частицы пыли. Количественное содержание пыли в воздухе оценивается величиной запыленности воздуха (г/м3), показывающей массовое количество пыли, содержащейся в 1 м воздуха.

Запыленность атмосферного воздуха зависит от многих фак­торов: сезона года, типа грунта и дороги (табл. 12.1), влажности воздуха, интенсивности движения, типа транспортного средства и конструкции шин, направления ветра, аэродинамики транспорт­ного средства.

Запыленность воздуха, поступающего в воздухозаборник систе­мы воэдухоочистки двигателя при эксплуатации автомобиля, зави­сит помимо вышеперечисленных условий от месторасположения воздухозаборника, скорости движения автомобиля и может коле­баться в пределах от 0,0003 до 1,4 г/м1.

256


Таблица 12.1

Тип автомобильной дороги

Залы л «ни ость воздука при двпжешш автомобили, т/м5

одиночного

в колонне

. Автомагистраль

0,001...0,002

Нет данных

С твердым асфальтобетонным покрытием

0,004.. .0,005

0,015...0,020

Без твердого покрытая

0,01...0,10

0,4...0,6

Карьер

0,5... 1,0

до 2,0

Основная масса частиц пыли, поступающих к воздухоочисти­телю двигателя, имеет размер до 40 мкм и состоит в основном из частиц оксидов кремния, железа и алюминия. Химический состав пыли различных почв по Гедройцу приведен в табл. 12.2.

Таблица 12.2

Тип ПОЧВЫ

Размер час- таи, мкм

Содержание прокаленного вещества, % по массе

СО

Si 02

Alj Oj + + F«2 О

Afc Оз

Ca О

Mg О

FO

Лесс

5...I0

5,3

62,2

17,3

14,1

2,0

0,2

Подзол

5...10

79,1

12,3

1,2

10...250

89,4

■ —

V

Чернозем

5...10

88,5

8,6

7,1

0,4

0,2

10...250

60,6

22,3

)5,0

0,8

0,5

Запыленность воздуха, поступающего в воздухозаборник кор* пуса фильтра, в значительной мере определяется высотой его рас­положения над поверхностью дороги. Увеличение на 0,7 м высоты расположения воздухозаборника уменьшает запыленность воздуха почти в 8 раз, в основном за счет уменьшения концентрации в воз­духе крупных частиц пыли (табл. 12.3).

Таблица 12.3

Высота, забора пробы, м

Содержание пыла, */•

легковой автомобиль

грузовой автомобиль

0,5

0,20

0,50

1,0

0,14

0,35

1,5

0,04

0,22

2,0

0,01

0,14

9-548

237

Одной из главных характеристик, которая влияет на показатели работы воздухоочистителей, является дисперсность пыли.

По дисперсному составу пыль делится на три вида:

  1. Мгновенная пыль, поднимаемая в воздух с дорожного полот­на движущимся транспортным средством, имеющая размер частиц более 150 мкм и скорость оседания в неподвижном воздухе 1,0 м/с. Такие частицы составляют около 55% от массы поднимаемой ма­шиной пыли.

  2. Временная пыль имеет размер частиц 2... 150 мкм н скорость падения (1Д..0Д8)' 10"э м/с. Масса пыли этого вида составляет

  1. .90% от массы пыли, поднимаемой машиной, что зависит от типа почвы или покрытия дороги.

  1. Постоянная пыль содержит частицы, скорость осаждения ко­торых менее 0,18 Ю-3 м/с.

Наиболее опасна для двигателя кварцевая пыль, твердость час­тиц которой выше твердости трущихся поверхностей двигателя. В пыли с дорожного полотна присутствуют и другие твердые ми­нералы, входящие в состав материалов дорожного полотна, а также сажа и частицы от износа шин.

Эффективность воздухоочистителей ДВС оценивают сле­дующими показателями: ф коэффициентом очистки воздуха, # ги­дравлическим сопротивлением, • пылеемкостью, # надежностью,

  • массовыми и габаритными показателями, • стоимостью конст­рукции и затратами на его обслуживание в процессе эксплуатации.

Эффективность очистки воздуха от ныли оценивают коэффици­ентами очистки tj или пропуска пыли е. Общий коэффициент очистки характеризует относительное количество пыли в процентах, задер­жанной воздухоочистителем, и определяется как

2 100=^^ 100, (12.1) А£\ Ь4\

где Ми Мь М3 — соответственно масса пыли, поступающей, задер­жанной и пропущенной воздухоочистителем пыли.

Коэффициент пропуска пыли определяется как относительное содержание пыли за воздухоочистителем: (Мэ/М|) 100%.

Коэффициенты пропуска и очистки связаны зависимостью E = (100-lf)%.

Система очистки воздуха существенно увеличивает гидравличес­кое сопротивление впускной системы. Гидравлическое сопротивле­ние воздухоочистителя Ар зависит от его конструкции и определяет­ся как разность давления на входе в воздухозаборник и давления после последнего элемента воздухо очистки (для многоступенчатых фильтров).

Гидравлическое сопротивление воздухоочистителя отрицатель­но влияет на коэффициент наполнения r[Vi ухудшает эффективные и экономические показатели работы двигателя. Экспериментальными

228


исследованиями установлено, что величина гидравлического сопро­тивления по мере загрязнения фильтрующих элементов линейно возрастает и до некоторой «предельной» величины Ар^ (допустимое гидравлическое сопротивление, см. табл. 12.4) не оказывает сущест­венного влияния на коэффициент наполнения двигателя. Однако возрастающие при этом энергозатраты на газообмен ухудшают мощности ые и экономические показатели двигателя.

Как видно из табл. 12.4, нормативные значения Ар^ зависят от типа и назначения двигателя и определяются техническими услови­ями з аво да- изгото вите ля.

Таблица 12.4

Двигатель

Др, кПа

С искровым зажиганием

5,0

Дизель

3,5...4,0

Дизель с турбонаддувом

4,5... 5,0

. Трахтораый

До 7,0

Относительные потери мощности для карбюраторных двига­телей пропорциональны сопротивлению на впуске. Так, увеличение уровня гидравлических потерь на 100 мм вод. ст. вызывает сниже­ние мощности двигателя примерно на 1,3%.

Дизели, имеющие большие значения коэффициента избытка воз­духа, менее чувствительны к увеличению "гидравлического сопроти­вления воздухоочистителей. Увеличение Ар воздушного фильтра дизеля на 100 мм вод. ст. вызывает увеличение удельного расхода топлива и уменьшение мощности примерно на 0,5%.

На отдельных двигателях применяют системы воздухоочистки, для удаления пыли из которых используются устройства с эжекци- онным отсосом, соединенные с выпускными системами. Однако применение эжектора приводит к росту противодавления на выпус­ке, что вызывает потери мощности и увеличение эффективного удельного расхода топлива.

Количество пыли Wa (кг), которое воздухоочиститель задержи­вает до достижения предельно допустимой величины гидравличес­кого сопротивления, называют пылеемкостью.

Совершенство конструкции воздухоочистителя оценивается его удельной пылеемкостью (кг/л) (табл. 12.5):

(12.2)

где V — полный объем, занимаемый системой очистки воздуха.

239

Таблица 12.5

Тао трайсиоргасго средства

Начальная залыпев- вость возду­ха <?, r/м1, ае более

Уоельвах аагрузжа на сухой фильтрующей элемент

9. м5

Л-гУм’

Легковые автомобиля

0,05

400...250

125

Грузовые автомобили

0,10

250...20Q

185

Тяжелые самосвалы

0,50

ПО

230

Дорожно-строительная техника, тракторы и тягачи на гусеничном коду

1,50

110

310

д Конструкция к работа систем очистки воздуха. В современных автотракторных двигателях используют воздухоочистители следу­ющих типов: инерционно-центробежные, пористые и комбинирован­ные.

Инерционно-центробежные очистители применяют в воздухо­очистителях автотракторных дизелей в качестве первой ступени очистки. Коэффициент пропуска пыли таких очистителей колеблет­ся от 10 до 60%, а гидравлическое сопротивление не превышает 100 мм вод. ст. Такие показатели позволяют применять их в основ­ном в качестве первой ступени очистки.

Основным назначением первой ступени очистки воздуха являет­ся снижение пылевой нагрузки на вторую основную ступень возду- хоочистки, а следовательно, увеличение продолжительности его ра­боты до технического обслуживания.

Наибольшее распространение на грузовых автомобилях получи­ли двухступенчатые воздухоочистители с картонными фильтру­ющими элементами (рис. 12.1, а) во второй ступени очистки. Нахо­дят применение также комбинированные воздухоочистители с кар­тонными фильтрующими элементами, в первой ступени которых используются батареи циклонов со сбором отсепарированной пыли в бункере с автоматическим удалением ее с помощью газового эжектора.

На грузовых полноприводных автомобилях применяются ком­бинированные системы очистки воздуха (рис. 12.1, б), в первой ступени которых используются конические инерционные решетки с автоматическим удалением отсепарированной газовым эжектором пыли.

Широкому использованию батарей циклонов в системах очистки воздуха препятствуют их большие габариты и высокая материало­емкость. Для обеспечения наибольшей продолжительности работы двухступенчатого воздухоочистителя коэффициент пропуска пыли первой ступеий &i должен находиться в пределах 8.Л5% (рис. 12.2).

260

1

*1 1

fijj

fi

Рнс. 12.1. Воздухоочиститель с Картонным фильтру­ющим элементом (а) н комбинированные двухступенча­тые воздухоочистители (б);

/ — прямоточный МОНОЦИХЛ08, 2 — картоижый фильтрующий элемеат, 3 — буях ер дм сбора отсепариро вавиой пыли, 4 — io- ШЛК1М ааерцновваа решетка, 5 - тртп нио-ыасляный ки- духоочвствтель

Ряс. 12.2. Зависимость относк- тельного времени работы т двух­ступенчатого воздухоо чистятеля от коэффициента пропуска первой ступени е,

Дальнейшее снижение коэффициента et не приводит к увеличе- нию продолжительности работы т двухступенчатых воздухоочисти- телей с картонными фильтрующими элементами вследствие того, что с уменьшением размера частиц пыли, поступающей на фильтро- вальный картон, удельная пылеемкость последнего резко сокраща- ется. Помимо того, уменьшается ресурс работы воздухоочистителя до предельного сопротивления из-за повышенного сопротивления первой ступени.

Широко применявшиеся ранее воздухоочистители инерционно- масляного типа, отличающиеся простотой конструкции и большим сроком службы, обладают рядом существенных недостатков, огра- ничивающих возможность их рационального использования на дви- гателе. Эффективность очистки воздуха от пыли такими фильтрами сравнительно невысока и в значительной мере зависит от режима работы двигателя. Так, если при расходе воздуха, соответствующе- го номинальному режиму работы двигателя, лучшие образцы фильтров пропускают 0,8... 1,8% пыли, то при работе на режимах частичных нагрузок этот показатель увеличивается до 5... 10%.

Воздухоочистители сухого типа в значительной мере лишены недостатков, присущих инерционно-масляным воздухоочистителям;

они обладают эффективностью очистки воз- духа, не зависящей от режима работы двига- теля, и в 10...30 раз превышают аналогич- ный показатель инерционно-масляных воз- духоочистителей. Кроме того, накопитель- ный характер пылеотложения на картонных фильтрующих элементах (КФЭ) делает воз- можным применение приборов (индикато- ров запыленности), показывающих в про- цессе эксплуатации рост сопротивления си- стемы впуска автомобиля и сигнализирую- щих о необходимости проведения обслужи- вания фильтрующего элемента (рис. 12.3).

Трудности компоновки воздухоочистите- лей с КФЭ в большегрузных автомобилях и необходимость исключения подогрева вса- сываемого воздуха не позволяют устанавли- вать такие фильтры в моторном отсеке. Та- ким образом, между двигателем и воздухо- очистителем в конструкции автомобиля по- является воздухопровод с резиновыми шла- нгами и стяжными хомутами.

Существующие методы расчета воздухо- очистителей в значительной мере основаны на использовании экспериментальных и ста-

рее. 12.3. Индикатор до­пустимого гидравличес­кого сопротивления фир­мы «Бахара»:

/ — пружка», 2 — смотровое окно, S — мембраяа, 4 — корпус, S — рычаг, 6 — поршень, 7 — отверстие для подвода воздуха

262


тистических данных. Достоверность их сравнительно невысока вследствие чего при их разработке требуется проведение большой объема экспериментальных доводочных работ.

Расчет инерционных воздушных фильтров базируется на опреде лении скорости осаждения твердой частицы в воздушном потоке когда в воздушном пространстве устанавливается равенство силь тяжести частицы и силы сопротивления воздуха ее движению В этот момент частица пыли начинает перемешаться равномерно о скоростью осаждения, значение которой зависит от массы частицы ее размера, вязкости и плотности воздушной среды.

При центробежной очистке воздуха осаждение пыли происходи- под действием центробежной силы, возникающей при вихрево!* движении потока в воздухоочистителе.

Наиболее эффективно очистка воздуха осуществляется сухим] фильтрующими элементами. Конструкция фильтрующих элемента постоянно совершенствуется, что позволяет повысить их надеж ность, удельную воздушную нагрузку и пылеемкость. Появлени фильтрующих элементов на основе фильтровальных картонов I синтетических материалов позволило создать конструкции очисти телей с заранее заданными характеристиками, что достигается из менением размеров пор при производстве фильтровального элемен та, тем самым определяется наибольший критический размер ча стиц пыли, которые могут проникнуть вместе с воздухом во впуск ную систему двигателя. Фильтрующий элемент можно рассматри вать как монолитное тело, пронизанное криволинейными каналами Воздух движется по этим криволинейным каналам с ворсистым] стенками, и частицы пыли осаждаются на стенках, тем самым сужа! канал и повышая тонкость фильтрации.

В общ^м случае коэффициент пропуска может быть определи как е—е , где i — толщина фильтрующего материала, X — коэф фициент осаждения пыли (величина экспериментальная).

Условия работы фильтрующего элемента оцениваются величи

V

ной удельной воздушной нагрузки3/(ч' м2)] q ——, где Vt — расход

F

воздуха через двигатель, м5/ч; F — площадь рабочей поверхносп фильтрующего элемента, м . Косвенным критерием пылеемкосп сухих фильтрующих элементов является изменение величины и;

удельного сопротивления: Z=где Аря и Apt — соответствен

но начальное и конечное сопротивления фильтрующего элемента <р — запыленность воздуха, подвергаемого фильтрации.

Удельная пылевая нагрузка на сухой фильтрующий элемент опре деляется как gn M^fF, где М2 — количество пыли, осевшей нг фильтрующем элементе к моменту повышения сопротивления воз духоочистителя до 700 мм вод. ст.

26:

Изменение объемов надпоршневого пространства при газооб­мене приводит к возникновению шума. Мощность акустического излучения при этом зависит от диаметра цилиндра и хода поршня и проявляется в основном на низхих частотах, кратных периоду чередования рабочих циклов в отдельных цилиндрах двигателя. Шум на средних и высоких частотах генерируется потоком воздуха, обтекающим элементы карбюратора и впускного клапана. Мощ­ность акустического излучения на этих частотах зависит от скорости воздушного пот ох а. Основным и малоизученным источником явля­ется шум, возникающий при перекрытии фаз газораспределения, особенно в высокофорсированных двигателях. Использование си­стем турбонаддува значительно повышает мощность акустического излучения на впуске. Уровень незаглушенного шума впуска на ряде двигателей с турбонаддувом приближается к болевому порогу, достигая 135 дБ'А. Одним из методов устранения этого источника шума является повышение частоты вращения компрессора, что позволяет перенести акустическое излучение в ультразвуковой диа­пазон частот, не воспринимаемый органом слуха. Применение тур­бокомпрессоров с частотой вращения 130 ООО...200 ООО мин-1 по­зволяет «увести» акустическое излучение в диапазон 25...30 кГц.

Глушители шума всасывания двигателей внутреннего сгора­ния подразделяют на реактивные, активные и комбинированные. Основным элементом активного глушителя является звукопоглоща­ющий материал, который размещен внутри корпуса глушителя и взаимодействует с потоком газа. Снижение шума происходит в результате превращения звуковой энергии в теплоту в порах звукопоглощающих материалов.

Характеристика звукопоглощающих материалов определяется коэффициентом звукопоглощения, показывающим величину отно­шения звуковой энергии, поглощенной материалом, к звуковой энергии, падающей на поверхность материала: а= E^JE^.

Наиболее эффективными и распространенными звукопоглоща­ющими материалами для систем впуска являются технический вой­лок, минеральная вата, капроновое волокно. Звукопоглощающая способность различных пористых материалов в области низких частот весьма мала. Наиболее эффективно звукопоглощение порис­тыми материалами происходит в области средних и высоких частот и зависит от толщины и удельной плотности материала.

Реактивные глушители, или акустические фильтры, не содержат специального звукопоглотителя и представляют собой сочетание камер и трубок, которые составляют систему расширительных и ре­зонансных объемов. Набор элементов реактивного глушителя со­здает импеданс рассогласования и обеспечивает возврат звуковой энергии к источнику. Реактивные глушители эффективно работают для подавления тональных составляющих шума в диапазоне низких

264

и средних частот. Резонансные камеры целесообразно применять для снижения шума высокой интенсивности и с узким спектром излучения. Расширительные камеры работают в широком диапазо­не частот, но их заглушающая способность ниже.

Комбинированные глушители построены, как правило, по при­нципу реактивных глушителей, в которые вмонтированы активные элементы.

Нужно сказать, что воздухоочистители, как правило, являются довольно эффективными глушителями шума впуска.

Воздухозаборник и корпус воздушного фильтра при этом явля­ются элементами реактивного глушителя; картонный фильтру­ющий элемент работает как активный глушитель и обеспечивает эффективное звукопоглощение в спектре выше 3,5 кГц.

Расчет единичной расширительной камеры глушителя произво­дят исходя из потребной величины, на которую необходимо умень­шить уровень шума процесса впуска ДДЛ:

AL^lOlg |^1 +0,25 ^m-^2sin -J

(12.3)

где m=FJFT — отношение площади проходного сечения расшири­тельной камеры к площади сечения воздуховода; /=f]f* — безраз­мерная частота, являющаяся отношением среднегеометрических частот третьоктавных полос / к характеристической частоте глуши­теля J* = С/(4/1); 4 — длина расширительной камеры; С — скорость звука.

Расчет единичной резонансной камеры глушителя дрошьолшея из условия обеспечения требуемого заглушения АЦ.п на резонансной частоте/* при /,<0,4Др„:

^л=Ш8{1+[^]2}, (12.4)

где — Cjj* — длина звуковой волны на резонансной частоте J*, м; V — объем резонатора; F, — площадь сечения центральной тру­бы глушителя; Ga — проводимость отверстий, соединяющих трубу с резонансной камерой.

Подкапотное пространство с позиций акустического излучения следует рассматривать как резонатор с точечным источником, ра­ботающим в низкочастотном диапазоне частот.

Характеристики воздухоочистителей, используемых на некото­рых современных автомобилях, приведены в табл. 12.6.

265

Таблица 12.6

Показатели работы

Марта воэдухоочвсгвтел*

львый расход воздуха, м Чч

CDCpOTHB-

ленне прв вомвшк львом расходе аоздуна,

мм вод»

ст.

гоэффициеит про­пуска пыли, %, ори

удельная пылеем- юсгь, г/л

номииа-

льяом

расходе

воздуха

20% но­миналь­ного рас­хода воз­духа

ВМ-16(ЗИЛ)

430

240

1,0

4,6

57

ВМП-3 (ЗИЛ)

430

305

1,2

5.3

187

ВС-4 (ЗИЛ)

490

220

0,38

370

Циклопах FWG (США)

480

180

0,31

84

«Ротопамм» Фарр (США)

800

210

0,13

193