Архив WinRAR_1 / 2 - Двигатели / 47 - воздушные фильтры

Воздушные фильтры

Пыль, попадающая в двигатель, значительно увеличивает износ его трущихся поверхностей. По опытным данным, 30-40г пыли, попавшей в двигатель, полностью выводит из строя поршневую группу вследствие износа.

Основное количество пыли в двигатель проникает вместе с воздухом, в котором ее содержание зависит от условий работы двигателя. Например, количество пыли в воздухе при движении автомобиля в городе или за городом по шоссе с усовершенствованным покрытием может колебаться в пределах 0,00025—0,001 г/м³, при движении по грунтовым дорогам - в пределах 0,01—0,02 г/м³.

Значительно большее содержание пыли в воздухе наблюдается при работе тракторного двигателя. Так, при перепашке пара в сухую погоду количество пыли в воздухе достигает 0,3-0,5 г/м³.

Для очистки воздуха от пыли на двигателях устанавливают воздушные фильтры. Они делятся на инерционные, фильтрующие и комбинированные. Любой воздушный фильтр должен эффективно очищать воздух от пыли, обладать малым гидравлическим сопротивлением и необходимой пылеемкостью, быть надежным в работе и удобным для обслуживания, иметь компактную и технологичную конструкцию.

Инерционные и фильтрующие воздушные фильтры называются сухими, если их поверхности не смачиваются маслом, и мокрыми, если они смачиваются маслом. Комбинированные воздушные фильтры могут быть сухими (сухая инерционная и сухая фильтрующая очистка), мокрыми (мокрая инерционная и мокрая фильтрующая очистка) или смешанными (сухая инерционная и мокрая фильтрующая очистка).

Качество работы воздушного фильтра оценивают коэффициентом очистки К_О, численно равным отношению массы пыли G₂, задержанной очистителем, к массе всей пыли G₁, поступившей в него:

К_О = G₂/G₁.

У современных комбинированных воздушных фильтров этот коэффициент достигает 0,97 - 0,99. Наименьший коэффициент очистки имеют одноступенчатые сухие инерционные воздушные фильтры, которые не задерживают мелких частиц пыли.

Эффективность воздушных фильтров оценивается также коэффициентом пропускания

К_П = 1 - G₂/G₁ = 1 - К_О,

условия определения которого регламентированы ГОСТ 8002-62. Коэффициент пропускания современных воздушных фильтров составляет около 0.01. Установлено, что абразивный износ трущихся деталей при К_П<0.01 весьма незначительно отличается от износа этих деталей в безабразивной среде.

Для оценки совершенства конструкции воздушных фильтров используют также другие характеристики: гидравлическое сопротивление воздушного фильтра р, время работы фильтра до технического обслуживания t или пылеемкость.

Воздушный фильтр (воздухоочиститель) создает определенное сопротивление движению воздуха во впускном трубопроводе двигателя. Характеристикой гидравлического сопротивления воздушного фильтра является разность давлений р до воздушного фильтра (атмосферное давление) и после него. Значение р зависит от типа воздушного фильтра и количества ступеней очистки воздуха.

Повышение гидравлического сопротивления впускного трубопровода приводит к уменьшению коэффициента наполнения цилиндра двигателя и, следовательно, к падению мощности и повышению расхода топлива. Экспериментальными исследованиями установлено, что ухудшение показателей работы двигателя происходит относительно медленно (почти линейно) при увеличении гидравлического сопротивления воздушного фильтра до некоторого значения p_пр (эту величину называют допустимым гидравлическим сопротивлением). Затем показатели резко ухудшаются. Значение p_пр выбирают в зависимости от типа двигателя и степени его форсирования. Отраслевыми стандартами или нормалями предусматривается ограничение как начального гидравлического сопротивления, так и допустимого.

Допустимое гидравлическое сопротивление воздушных фильтров автомобильных двигателей (в кПа):

Бензиновых ... 5,0

Дизелей ..... 3,5-4

Дизелей с турбонаддувом .... 4,5-5

Для тракторных дизелей допустимое сопротивление не должно превышать 7 кПа.

Значение допустимого гидравлического сопротивления определяет время работы воздушного фильтра до технического обслуживания или его пылеемкость. Время работы фильтра выражается в часах, а пылеемкость - в килограммах задержанной пыли до достижения допустимого сопротивления. Для автомобильных двигателей период между техническими обслуживаниями воздушных фильтров определяют в километрах пробега автомобиля. Пылеемкость фильтра зависит от его типа, конструктивных параметров.

Техническое обслуживание фильтров заключается в смене масла и промывке мокрых фильтрующих элементов инерционно-масляных воздушных фильтров, в продувке сухого фильтрующего элемента сжатым воздухом в направлении, противоположном движению воздуха при его работе (если сухой элемент влагоустойчив, то его промывают водой). Картонные элементы одноступенчатых воздушных фильтров, как правило, заменяют новыми. Гидравлическое сопротивление фильтра при повторном использовании сухого фильтрующего элемента выше начального, поэтому период до следующего технического обслуживания сокращается.

По ГОСТ 12627-80 для вновь проектируемых тракторных и комбайновых дизелей применение воздухоочистителей с масляной ванной не допускается.

Основными взаимосвязанными характеристиками воздушных фильтров являются пылеемкость и степень очистки, правильный выбор которых обусловливает надежность и долговечность двигателя, а также снижение затрат на его обслуживание. При недостаточной степени очистки происходит преждевременное изнашивание двигателя, а при ее увеличении снижается пылеемкость и сокращается продолжительность интервалов между очередными обслуживаниями, что повышает стоимость эксплуатации.

В настоящее время в качестве фильтрующего материала широко используется картон. Его применение обусловлено стремлением к повышению моторесурса двигателей, что при возрастающем форсировании двигателей может быть достигнуто только при практически полном предотвращении попадания в него пыли, и к сокращению периодичности и трудоемкости технического обслуживания воздушных фильтров.

Фильтровальный картон должен обладать минимальным сопротивлением движению воздуха, равномерной пористостью, гидростойкостью, достаточным сопротивлением на разрыв и продавливание, жесткостью, для удовлетворения последних требований картон подвергают гофрированию и поперечному тиснению. Кольцевая гофрированная секция с перфорированными обечайками, расположенными по наружному и внутренним диаметрам, с торцов заливается эпоксидным компаундом, специальными смолами или пластмассой. Последняя обеспечивает уплотнение без дополнительных прокладок. Шаг между гофрами выбирается на основе экспериментальных данных из условия обеспечения максимальной пылеемкости.

Наиболее распространенным является картон типа ПКВ, который изготовляют на основе хлопка с использованием винола. Картон имеет волокнистую структуру с криволинейными каналами (порами), по которым движется воздух. Осаждение частиц пыли происходит при их зацеплении с волокнами картона. Крупные частицы осаждаются на поверхности картона, а мелкие частицы - на внутренних волокнах в результате действия сил инерции при изменении направления движения внутри пор. Так как силы инерции крупных частиц больше, чем мелких, то в наружных волокнах осаждаются крупные частицы, а во внутренних - мелкие.

На поверхности фильтрующего элемента образуется связанный слой пыли, который также обладает фильтрующими свойствами. Причем в этом слое с течением времени размер пор становится меньше размеров пор в картоне, поэтому эффективность улавливания пыли улучшается (коэффициент пропускания уменьшается), однако при этом увеличивается сопротивление фильтра, которое возрастает также при сужении пор вследствие осаждения на их поверхности частичек пыли. В то же время такие атмосферные загрязнения, как дым, продукты неполного сгорания, копоть, не образуют на поверхности элемента пористого образования и снижают его пылеемкость. Ухудшает фильтровальные свойства картона присутствие в воздухе капельной влаги.

В настоящее время проводится работа по применению нетканых, на основе лавсановых волокон фильтровальных материалов. Эти материалы равнопрочны в сухом и влажном воздухе, температуроустойчивы, гидрофобны, стойки к агрессивным средам, микроорганизмам и бактериям. Однако пылеемкость нетканых материалов по сравнению с картоном ниже.

В настоящее время нет методов теоретического определения характеристик воздушных фильтров, так как задача о пространственном течении пылевоздушной смеси является сложной как в теоретическом, так и в вычислительном плане. Существующие расчетные методы в значительной мере основываются на экспериментальных данных и вследствие идеализации физических процессов дают результаты, пригодные для качественной оценки. Однако они всегда требуют экспериментального уточнения.

При расчете воздушного фильтра с элементом из картона используют удельную воздушную нагрузку [в м³/(чм²)]

q = Q/F,

где Q - расход воздуха через двигатель, м³/ч;

F - площадь рабочей поверхности картона, м².

Иногда используют другую величину - скорость фильтрации (в м/с) w_Ф = Q/F.

С увеличением удельной воздушной нагрузки уменьшаются габариты воздушного фильтра и его пылеемкость. Поэтому значение q выбирают с учетом типа двигателя и требуемых норм технического обслуживания воздушного фильтра. Для двигателей легковых автомобилей принимают q=250 - 400 м³/(чм²); грузовых автомобилей q = 100 – 200 м³/(чм²); тракторных q = 80 - 100 м³/(чм²).

Рассмотрим расчет элемента типа «многолучевая звезда» из картона. Для данного номинального расхода воздуха, задаваясь удельной воздушной нагрузкой, можно определить площадь

F = Q/q.

Ширина стороны гофра фильтровального элемента определяется по экспериментальной формуле b  0,02F^1/2.

Наилучшие с точки зрения пылеемкости значения шага t между складками лежат в интервале 5-8 мм. Число гофров равно n = F/(2bH).

Задаваясь из условий компоновки воздушного фильтра на двигателе отношением диаметра D элемента к его высоте Н (обычно D/H = 0,5 - 5), из равенства F₁ = DH = Ft/(2b) находят величины D и Н, которые округляют. Далее уточняют значение шага t.

Площади проходных сечений воздушных фильтров с элементами из картона определяют из условий обеспечения скоростей течения воздуха на входе в воздушный фильтр 8-10 м/с, на выходе 30-35 м/с.

Воздушные фильтры с периодически смачиваемым фильтрующим элементом целесообразно применять на двигателях, работающих в условиях малой запыленности воздуха. Их большим недостатком является значительное уменьшение коэффициента очистки при испарении или уносе масла из фильтрующего элемента. Воздушные фильтры с масляной ванной более эффективны. Фильтрующий элемент в них непрерывно промывается маслом из ванны, в нижней части которой собирается пыль. Однако подобные фильтры могут работать только в вертикальном положении или с небольшим наклоном.

В двигателях с наддувом следует применять сухие воздушные фильтры. Это объясняется тем, что при загрязнении мокрых фильтрующих элементов масло уносится в компрессор и его проточная часть закоксовывается.

Поступление воздуха в двигатель сопровождается шумом, поэтому двигатели оборудуются глушителями шума, которые конструктивно целесообразно объединять с воздушными фильтрами. Глушение шума высоких тонов происходит в набивке фильтрующего элемента, а также в специальных устройствах с набивкой из ваты, войлока и т. п. Шум низких тонов поглощается в одной или нескольких камерах.

К воздушному фильтру часто присоединяют патрубок системы вентиляции картера. Картерные газы в воздушный фильтр можно подводить как до фильтрующего элемента, так и после него. В последнем случае для уменьшения вредного влияния капелек масла на работу двигателя в конструкцию вентиляционной системы следует вводить маслоотделитель или специальный фильтр.

Площади проходного сечения выходного патрубка воздушного фильтра и проходного сечения воздушного патрубка карбюратора должны быть одинаковы. У воздушных фильтров двигателей с. ограниченными размерами по высоте увеличивают ширину корпуса, максимально уменьшив его высоту. Это, например, ярко выражено в конструкции воздушных фильтров двигателей легковых автомобилей. Воздушные фильтры тракторных и стационарных двигателей делают цилиндрическими увеличенной высоты.

С увеличением сопротивления воздушных фильтров уменьшается коэффициент наполнения цилиндров, а, следовательно, ухудшаются экономические показатели работы двигателя. Так, при повышении сопротивления воздушного фильтра на 1000 Па мощность карбюраторного двигателя уменьшается примерно на 1,3%.