Совершенствование процесса очистки воздуха в двигателях внутреннего сгорания, эксплуатируемых в условиях повышенной запыленности
Д.
В. ДоровскихБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Доровских
Д.
В.,
Коновалов
Д.
Н. Совершенствование процесса очистки воздуха в двигателях внутреннего сгорания, эксплуатируемых в условиях повышенной запыленности // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
2336–2340. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54731.htm.
Аннотация. В статье рассматривается вопрос применения электростатических фильтров для предварительной очистки воздуха в автотракторных двигателях, работающих в условиях повышенной запыленности окружающей среды. Приводятся характеристики загрязняющих воздух абразивных частиц, условия работы и параметры электростатических фильтров, установленные при проведении экспериментальных исследований.
Текст статьи
Доровских Дмитрий Владимирович,кандидат технических наук, доцент кафедры "Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис" ФГБОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет", г. Тамбовdima.dorovskikh@yandex.ru
Коновалов Дмитрий Николаевич,ассистенткафедры "Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис" ФГБОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет", г. Тамбовkdn1979dom@mail.ru
Совершенствование процессаочистки воздухав двигателяхвнутреннего сгорания,эксплуатируемыхв условиях повышеннойзапыленности
Аннотация. Встатье рассматривается вопрос применения электростатических фильтров для предварительной очистки воздуха в автотракторных двигателях,работающих в условиях повышенной запыленности окружающей среды. Приводятся характеристики загрязняющих воздух абразивных частиц, условия работы и параметры электростатических фильтров, установленные при проведении экспериментальных исследований.Ключевые слова:воздух, фильтрация, абразивные частицы, двигатель, электричество.
Вопросы долговечности двигателя волнуют как автолюбителей, заинтересованных в длительной эксплуатации своего автомобиля, так и механиков. На изнашивание деталей двигателя, особенно его цилиндропоршневой группы, влияют пониженные тепловые режимы, неустановившееся режимы, повышенные нагрузочные и скоростные режимы работы мотора. Наибольшее влияние на износ цилиндров, поршней, поршневых колец и подшипников коленчатого вала оказывает абразивная пыль, проникающая в двигатель из окружающего воздуха[1].Воздух, окружающий автомобиль во время движения, содержит некоторое количество пыли. Всухую погоду при работе с почвообрабатывающими машинами ее количество достигает 2,5 г/м3, а в условиях пустынь —6 г/м3. В состав дорожной пыли входят окиси кальция, железа, кремния и др. Поверхностная твердость пылинок окиси кремния (кварца) в 2 раза превышает твердость высококачественных сталей. За 1 ч работы тракторный двигатель средней мощности засасывает около 200 м3воздуха. Если не очищать воздух, то за одну рабочую смену в цилиндры двигателя может попасть несколько килограммов пыли. Твердые ее частицы вызывают ускоренный износ цилиндров, поршней и других трущихся деталей. Поэтому нарушение герметизации в соединениях воздухоподводящих деталей и подсос неочищенного воздуха в десятки раз сокращают срок службы двигателя.Пыль попадает в двигатель через впускной тракт вместе с воздухом и топливом, через неплотности в соединениях впускного тракта и картера (например, масляный щуп), при небрежной заправке маслом и техническомобслуживании, связанном с разборкой двигателя. До 90% пыли, поступающей через впускной тракт в цилиндры, выбрасывается вместе с выпускными газами, а оставшаяся часть проникает в масло.Абразивные частицы, попадающие в двигатель, поразному влияют на изнашивание деталей. Пыль, поступающая в двигатель через впускной тракт, вызывает наибольший износ цилиндров верхней части, верхних компрессионных колец и канавок в поршне и почти не вызывает износа шеек и подшипников коленчатого вала. Это объясняется тем, что наибольшее количество пыли оседает на верхней части цилиндра; давление колец, особенно верхних, в этой зоне наибольшее. Кроме того, пыль по пути в картер стирается поршневыми кольцами и попадает в масло сильно размельченной. Большинство таких частиц свободно плавает в масле в зазорах между шейкой и подшипником коленчатого вала, и не имеет непосредственного с ними контакта и не вызывает их износа.Абразивные частицы, попавшие непосредственно в масло, вызывают наибольший износ подшипников и шеек коленчатого вала, цилиндров в средней части, маслосъемных поршневых колец и канавок, поршневого пальца и его втулок. Больший износ средней части цилиндров, чем в нижней, вызван тем, что давление колец на цилиндры в средней части больше, чем в нижней.Износ цилиндров и поршневых колец, вызванный частицами, попавшими непосредственно в масло, в 10 раз больше износа, вызванного таким же количеством частиц, попавшим с воздухом. Но здесь необходимо учитывать, что при эксплуатации абразивных частиц больше попадает с воздухом через воздухоочиститель[1].Загрязняющие примеси в топливе вызывают засорение топливных каналов, вызывают изнашивание отверстий жиклеров, форсунок, способствуют увеличению количества отложений, особенно во впускном тракте и камере сгорания. Образование отложений на стержнях клапанов приводит к их зависанию в направляющих втулках и обгоранию рабочих фасок клапана и седла.Особенно опасны загрязняющие примеси для топливной аппаратуры дизелей. Примеси, попадая под иглу форсунки, нарушают плотность посадки иглы на седло распылителя, а попадая между иглой и стенкой распылителя, могут привести к зависанию иглы. Абразивные частицы, вызывая износ прецизионных пар и отверстий форсунок, ухудшают сгорание топлива, увеличивают его расход и дымность выхлопа двигателя.Подэлектрической очисткой понимают процесс, при котором твердые частицы удаляются из газообразной среды под воздействием электрических сил.Фундаментальным отличием процесса электростатического осаждения от механических методов сепарации частиц является то, что в этом случае осаждающая сила действует непосредственно на частицы, а не создается косвенно воздействием на поток газа в целом. Это прямое и чрезвычайно эффективное использование силового воздействия и объясняет такие характерные черты электростатическогометода, как умеренное потребление энергии и малое сопротивление потоку газа. Даже мельчайшие частицы субмикрометрового диапазона улавливаются эффективно, поскольку и на эти частицы действует достаточно большая сила. Принципиальных ограничений степени очистки нет, поскольку эффективность может быть повышена путем увеличения продолжительности пребывания частиц в электрофильтре[2].Принцип действия электростатических фильтров заключается в использовании электростатических сил притяжения, которые возникаютпри сообщении воздуху и пластинам пылесборника электрических зарядов противоположной полярности.Электростатическиевоздухоочистителине содержат заменяемых фильтров. В качестве фильтра здесь используется пара или более металлических пластин, на которые спомощью преобразователя подается напряжение, достаточное для создания устойчивого электростатического поля. Электрический воздушный фильтр –двухзонный (рисунок 1). Вначале поток воздуха, подвергающегося очистке, проходит зону 3, которая представляет собой решетку из металлических пластин с натянутыми между ними коронирующими электродами из проволоки. К электродам подведен электрическийток напряжением 1315 кВ положительного знака от преобразователя. Получив электрический заряд при прохождении ионизационной зоны, пылевые частицы в потоке воздуха направляются в осадительную зону 1. Она представляет собой пакет металлических пластин2, расположенных параллельно друг другу на расстоянии 8 –12 мм. К каждой второй пластине подведен ток напряжением 6,5 –7,5 кВ положительного знака. Пыль осаждается на заземленных пластинах[3].
Рисунок 1. Фильтр электростатического типа1 –внутренний корпус; 2 осадительный электрод; 3 коронирующий электрод
Вокруг коронирующего электрода происходит электрический разряд, сопровождающийся свечением (©коронаª). В результате электрических разрядов происходит выделение атомарного кислорода (одноатомные молекулы), образование озонаO3, а также оксидов азота. При напряжении, применяемом в воздушных фильтрах, и при наличии в нем двух зон озон и оксиды азота выделяются в небольших количествах и опасности для людей не представляют. В электрических пылеуловителях, применяемых для очистки выбросов, используют ток напряжением 80100 Вт, кроме того, в этих аппаратах к коронирующим электродам подведен ток отрицательного знака, что по имеющимся данным сопровождается более интенсивным выделением вредных веществ (в 8 раз)[3].Загрязненный воздух проходит через ионизационную камеру, в которой частицы загрязнения под действием электрическогополя высокой напряженности приобретают положительный заряд, после чего они притягиваются и оседают на отрицательно заряженных пластинах пылесборника. Чем больше площадь пластин –тем больше эффективность очистки воздуха.Электрофильтр относится к наиболееэффективным пылеулавливающим аппаратам. Эффективность очистки достигает 99,9 % в широких пределах концентраций (от нескольких мг до 200 г/м ) и дисперсности частиц (до долей мкм) и невысокой затрате электроэнергии (около 0,1...0,5 кВтч на 1000 м газов).Электрофильтр может обеспыливать влажную и коррозионноактивную газовую среду с температурой до 500°С. Производительность электрофильтров достигает сотен тысяч м3/ч очищаемого газа.Улавливание пыли в электрофильтрах основано на известной способности разноименно заряженных тел притягиваться друг к другу. Пылевидным частицам сначала сообщается электрический заряд, после чего они осаждаются на противоположно заряженном электроде.Когда в межэлектродном пространстве проходит газ со взвешенными пылевидными частицами, ионы газа адсорбируются на поверхности пылинок, вследствие чего пылинки заряжаются и приобретают способность перемещаться под воздействием электрического поля к осадительным электродам. Осевшую на электродах пыль периодически удаляют. Такимобразом, электрогазоочистка включает процессы образования ионов, зарядки пылевидных частиц, транспортирования их к осадительным электродам, периодическое разрушение слоя накопившейся на электродах пыли и удаление ее в пылесборные бункеры.С увеличением напряженности электрического поля и величины заряда, получаемого частицами, скорость движения заряженных частиц к электроду возрастает. Электрофильтр будет тем лучше улавливать пыль, чем больше его длина, выше напряженность поля и меньше скорость газа в аппарате[3].Конструктивно электростатические фильтры могут быть выполнены различным образом, например, фильтр представляет собой набор металлических пластин с проволокой, проходящей между ними. Между платинами и проволокой создается разность потенциалов в несколько киловольт. Врезультате пыль, которая находится в проходящем сквозь фильтр воздухе, ионизируется и оседает на пластинах.Процесс обеспыливания в электрофильтре состоит из следующих стадий: пылевые частицы, проходя с потоком газа электрическое поле, получают заряд; заряженные частицы перемещаются к электродам с противоположным знаком; осаждаются на этих электродах; удаляется пыль, осевшая на электродах.Зарядка частиц первый основной шаг процесса электростатического осаждения. Большинство частиц, с которыми приходится иметь дело при газоочистке, сами по себе несут некоторый заряд, приобретенный в процессе их образования, однако эти заряды слишком малы, чтобы обеспечить эффективное осаждение. При очистке воздуха,зарядка частиц достигается пропусканием частиц через корону постоянного тока между электродами электрофильтра, так как при этом образуетсяменьше озона.Основными элементами электрофильтра являются коронирующий и осадительный электроды. Первый электрод 3 в простейшем виде представляет собой проволоку (сетку), натянутую в трубке, между или над пластинами, второй 2 представляет собой поверхность трубки или пластины, окружающей коронирующий электрод (рисунок 1).На коронирующие электроды подается постоянный ток высокого напряжения 15...20кВ. Коронирующий электрод обычно имеет отрицательную полярность, осадительный электрод заземлен. Это объясняется тем, что корона при такой полярности более устойчива, подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных. Последнее обстоятельство связано с ускорением зарядки пылевых частиц.В поле короны электрофильтра реализуются два различных механизма зарядки частиц. Наиболее важна зарядка ионами, которые движутся к частицам под действием внешнего электрического поля. Вторичный процесс зарядкиобусловлен диффузией ионов, скорость которой зависит от энергии теплового движения ионов, но не от электрического поля. Зарядка в поле преобладает для частиц диаметром более 0,5 мкм, а диффузионная —для частиц мельче 0,2 мкм; в промежуточном диапазоне (0,2... 0,5 мкм) важны оба механизма.Скорость дрейфа частиц в электрическом поле в значительной мере зависит от размеров частиц. Эта зависимость имеет сложный характер ввиду различия механизмов перемещения частиц разных размеров. Считается, что в диапазоне размеров менее 0,1...0,3 мкм скорость перемещения частиц в электрическом поле уменьшается с их укрупнением, в диапазоне от 0,3 до 20 мкм увеличивается с увеличением диаметра и затем вновь несколько снижается.Наиболее интересными являются экспериментыпо оценке изменения коэффициента проскока в зависимости от размера частиц при определенной скорости потока, особенно в тех случаях, когда диаметр частиц меньше 0,3 мкм.При проведении экспериментальных исследований с моделью электростатического фильтра мыполучили следующую кривую:
Эта кривая показывает характер изменения коэффициента проскока частиц различного размера. Экспериментальные и теоретические данные о размере частиц с максимальным проскоком совпадают.На основе проведенного исследованиярезультаты эксперимента были занесены в таблицу 1.
Таблица 1Изменение коэффициента проскока от диаметра частиц
Диаметр частиц, мкмКоэффициент проскока, %0,149.80,10,2390,20,422,90,40,89,50,81,64�1,60
Огромную роль в достижении максимальной эффективности пылеулавливания играет конструктивное исполнение коронирующих и осадительных электродов.Коронирующие электроды можно разделить на две группы (рисунок 2). К первой группе относятся электроды, которые не имеют фиксированных коронирующих точек. При отрицательной короне –отрицательной полярности коронирующих электродов –светящиеся точки располагаются вдоль электрода на разных расстояниях друг от друга в зависимости от состояния поверхности электрода. Типичные виды электродов этой группы: круглый диаметром 2…4 мм, квадратный со стороной 3…4 мм и штыкового сечения, вписывающийся в квадрат со стороной 4…5 мм (рисунок 2, а).Ко второй группе относятся электроды с фиксированными точками разряда по их длине. Типичными видами этих электродов являются колючая проволока, пилообразные и игольчатые электроды (рисунок 2, б). Электроды второй группы при равных напряжении и межэлектродном расстоянии обеспечивают значительно больший ток короны, чем электроды первой группы. Легче обеспечивается необходимая механическая прочность. В настоящее время получили широкое распространение коронирующие электроды ленточноигольчатого типа. Они легко изготавливаются путем штамповки и при наличии достаточной механической прочности обладают хорошими электрическими характеристиками.
Рисунок 2. Электроды электрофильтрова) –гладкие коронирующие электроды; б) –коронирующие электроды сфиксированными точками разряда; в) –осадительные электроды
Осадительные электроды электрофильтров также имеют разнообразную форму: они имеют гладкую поверхность без острых углов, необходимую для обеспечения высокой напряженности электрического поля, и полости, позволяющие стряхивать пыль с минимальным вторичным уносом (рисунок2,в).Для успешной работы электрофильтров имеет важное значение установка коронирующих проводов точно по оси между осадительными пластинами. При обсуждении данного вопроса было предложено произвести модернизацию коронирующего элемента и заменой его на пластины, что позволит увеличить магнитное поле, а следовательно и повысить эффективность осаждение пыли. В результате получилось следующее:
Кривая показывает как изменяется коэффициент проскока от увеличения числа осадителей.На основе проведенного исследованиярезультаты эксперимента были занесены в таблицу 2.
Таблица 2Изменение коэффициента проскока от диаметра частиц
Диаметр частиц, мкмКоэффициент проскока, %0,139,80,10,231,20,20,418,30,40,87,60,81,63,2�1,60Изменение коронирущего элемента и увеличение числа осадителей позволило добиться снижения коэффициента проскока на 25%.Фракционная эффективность электрического фильтра дана в таблице 3.
Таблица 3Фракционная эффективность электрического фильтра
Размер частиц, мкмЧисло частиц в воздухеЭффективность улавливания,%перед фильтромпосле фильтра0,5400040589,90,6250510795,70,710004695,40,85002794,60,91801293,511407951,545393,3228196,6
Эффективность обеспечения качества рабочих смесей с помощью применения фильтрационных установок многократно проверена на практике. Важными результатами являются:
Резкое уменьшение числа крупных частиц в рабочей смеси, что приводит к практическому исчезновению внезапных отказов клапаннораспределительной аппаратуры и значительному снижению интенсивности отказов поршневой группы.
Значительное повышение ресурса рабочей жидкости в связи с замедлением процессов окисления, для которых загрязнения являются катализатором.
Повышение ресурса штатных фильтров привода за счет значительного снижения нагрузки на них.
Ссылки на источники1.ШтокманЕ.А.Очистка воздуха –М.: Изд. АСВ, 1999.2.ДенисовС.И.Улавливание и утилизация пылей и газов –М.: Металлургия, 1991.3.АлиевГ.М.Устройство и обслуживание газоочистительных и пылеулавливающих установок М.: Металлургия, 1983.
Dmitriy Dorovskikh,Candidate of technical sciences, associate Professor of department "Motor Transport Operation and Repair", Tambov State Technical University, Tambov
Dmitriy Konovalov,Assistant of department "Motor Transport Operation and Repair", Tambov State Technical University, TambovImprovement of air clearing process in internalcombustion engines, operating in conditions of highdust concentrationAbstract. The article overviews the issues of application of electrostatic filters for preliminary air cleaning in automotivetractor engines operated in the high dusty environment. It provides characteristics of the air polluting abrasive grits, working conditions and parameters of electrostatic filters installed for the pilot studies.Keywords: air, filtration, abrasive grits, engine, electricity.
Коновалов Дмитрий Николаевич,ассистенткафедры "Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис" ФГБОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет", г. Тамбовkdn1979dom@mail.ru
Совершенствование процессаочистки воздухав двигателяхвнутреннего сгорания,эксплуатируемыхв условиях повышеннойзапыленности
Аннотация. Встатье рассматривается вопрос применения электростатических фильтров для предварительной очистки воздуха в автотракторных двигателях,работающих в условиях повышенной запыленности окружающей среды. Приводятся характеристики загрязняющих воздух абразивных частиц, условия работы и параметры электростатических фильтров, установленные при проведении экспериментальных исследований.Ключевые слова:воздух, фильтрация, абразивные частицы, двигатель, электричество.
Вопросы долговечности двигателя волнуют как автолюбителей, заинтересованных в длительной эксплуатации своего автомобиля, так и механиков. На изнашивание деталей двигателя, особенно его цилиндропоршневой группы, влияют пониженные тепловые режимы, неустановившееся режимы, повышенные нагрузочные и скоростные режимы работы мотора. Наибольшее влияние на износ цилиндров, поршней, поршневых колец и подшипников коленчатого вала оказывает абразивная пыль, проникающая в двигатель из окружающего воздуха[1].Воздух, окружающий автомобиль во время движения, содержит некоторое количество пыли. Всухую погоду при работе с почвообрабатывающими машинами ее количество достигает 2,5 г/м3, а в условиях пустынь —6 г/м3. В состав дорожной пыли входят окиси кальция, железа, кремния и др. Поверхностная твердость пылинок окиси кремния (кварца) в 2 раза превышает твердость высококачественных сталей. За 1 ч работы тракторный двигатель средней мощности засасывает около 200 м3воздуха. Если не очищать воздух, то за одну рабочую смену в цилиндры двигателя может попасть несколько килограммов пыли. Твердые ее частицы вызывают ускоренный износ цилиндров, поршней и других трущихся деталей. Поэтому нарушение герметизации в соединениях воздухоподводящих деталей и подсос неочищенного воздуха в десятки раз сокращают срок службы двигателя.Пыль попадает в двигатель через впускной тракт вместе с воздухом и топливом, через неплотности в соединениях впускного тракта и картера (например, масляный щуп), при небрежной заправке маслом и техническомобслуживании, связанном с разборкой двигателя. До 90% пыли, поступающей через впускной тракт в цилиндры, выбрасывается вместе с выпускными газами, а оставшаяся часть проникает в масло.Абразивные частицы, попадающие в двигатель, поразному влияют на изнашивание деталей. Пыль, поступающая в двигатель через впускной тракт, вызывает наибольший износ цилиндров верхней части, верхних компрессионных колец и канавок в поршне и почти не вызывает износа шеек и подшипников коленчатого вала. Это объясняется тем, что наибольшее количество пыли оседает на верхней части цилиндра; давление колец, особенно верхних, в этой зоне наибольшее. Кроме того, пыль по пути в картер стирается поршневыми кольцами и попадает в масло сильно размельченной. Большинство таких частиц свободно плавает в масле в зазорах между шейкой и подшипником коленчатого вала, и не имеет непосредственного с ними контакта и не вызывает их износа.Абразивные частицы, попавшие непосредственно в масло, вызывают наибольший износ подшипников и шеек коленчатого вала, цилиндров в средней части, маслосъемных поршневых колец и канавок, поршневого пальца и его втулок. Больший износ средней части цилиндров, чем в нижней, вызван тем, что давление колец на цилиндры в средней части больше, чем в нижней.Износ цилиндров и поршневых колец, вызванный частицами, попавшими непосредственно в масло, в 10 раз больше износа, вызванного таким же количеством частиц, попавшим с воздухом. Но здесь необходимо учитывать, что при эксплуатации абразивных частиц больше попадает с воздухом через воздухоочиститель[1].Загрязняющие примеси в топливе вызывают засорение топливных каналов, вызывают изнашивание отверстий жиклеров, форсунок, способствуют увеличению количества отложений, особенно во впускном тракте и камере сгорания. Образование отложений на стержнях клапанов приводит к их зависанию в направляющих втулках и обгоранию рабочих фасок клапана и седла.Особенно опасны загрязняющие примеси для топливной аппаратуры дизелей. Примеси, попадая под иглу форсунки, нарушают плотность посадки иглы на седло распылителя, а попадая между иглой и стенкой распылителя, могут привести к зависанию иглы. Абразивные частицы, вызывая износ прецизионных пар и отверстий форсунок, ухудшают сгорание топлива, увеличивают его расход и дымность выхлопа двигателя.Подэлектрической очисткой понимают процесс, при котором твердые частицы удаляются из газообразной среды под воздействием электрических сил.Фундаментальным отличием процесса электростатического осаждения от механических методов сепарации частиц является то, что в этом случае осаждающая сила действует непосредственно на частицы, а не создается косвенно воздействием на поток газа в целом. Это прямое и чрезвычайно эффективное использование силового воздействия и объясняет такие характерные черты электростатическогометода, как умеренное потребление энергии и малое сопротивление потоку газа. Даже мельчайшие частицы субмикрометрового диапазона улавливаются эффективно, поскольку и на эти частицы действует достаточно большая сила. Принципиальных ограничений степени очистки нет, поскольку эффективность может быть повышена путем увеличения продолжительности пребывания частиц в электрофильтре[2].Принцип действия электростатических фильтров заключается в использовании электростатических сил притяжения, которые возникаютпри сообщении воздуху и пластинам пылесборника электрических зарядов противоположной полярности.Электростатическиевоздухоочистителине содержат заменяемых фильтров. В качестве фильтра здесь используется пара или более металлических пластин, на которые спомощью преобразователя подается напряжение, достаточное для создания устойчивого электростатического поля. Электрический воздушный фильтр –двухзонный (рисунок 1). Вначале поток воздуха, подвергающегося очистке, проходит зону 3, которая представляет собой решетку из металлических пластин с натянутыми между ними коронирующими электродами из проволоки. К электродам подведен электрическийток напряжением 1315 кВ положительного знака от преобразователя. Получив электрический заряд при прохождении ионизационной зоны, пылевые частицы в потоке воздуха направляются в осадительную зону 1. Она представляет собой пакет металлических пластин2, расположенных параллельно друг другу на расстоянии 8 –12 мм. К каждой второй пластине подведен ток напряжением 6,5 –7,5 кВ положительного знака. Пыль осаждается на заземленных пластинах[3].
Рисунок 1. Фильтр электростатического типа1 –внутренний корпус; 2 осадительный электрод; 3 коронирующий электрод
Вокруг коронирующего электрода происходит электрический разряд, сопровождающийся свечением (©коронаª). В результате электрических разрядов происходит выделение атомарного кислорода (одноатомные молекулы), образование озонаO3, а также оксидов азота. При напряжении, применяемом в воздушных фильтрах, и при наличии в нем двух зон озон и оксиды азота выделяются в небольших количествах и опасности для людей не представляют. В электрических пылеуловителях, применяемых для очистки выбросов, используют ток напряжением 80100 Вт, кроме того, в этих аппаратах к коронирующим электродам подведен ток отрицательного знака, что по имеющимся данным сопровождается более интенсивным выделением вредных веществ (в 8 раз)[3].Загрязненный воздух проходит через ионизационную камеру, в которой частицы загрязнения под действием электрическогополя высокой напряженности приобретают положительный заряд, после чего они притягиваются и оседают на отрицательно заряженных пластинах пылесборника. Чем больше площадь пластин –тем больше эффективность очистки воздуха.Электрофильтр относится к наиболееэффективным пылеулавливающим аппаратам. Эффективность очистки достигает 99,9 % в широких пределах концентраций (от нескольких мг до 200 г/м ) и дисперсности частиц (до долей мкм) и невысокой затрате электроэнергии (около 0,1...0,5 кВтч на 1000 м газов).Электрофильтр может обеспыливать влажную и коррозионноактивную газовую среду с температурой до 500°С. Производительность электрофильтров достигает сотен тысяч м3/ч очищаемого газа.Улавливание пыли в электрофильтрах основано на известной способности разноименно заряженных тел притягиваться друг к другу. Пылевидным частицам сначала сообщается электрический заряд, после чего они осаждаются на противоположно заряженном электроде.Когда в межэлектродном пространстве проходит газ со взвешенными пылевидными частицами, ионы газа адсорбируются на поверхности пылинок, вследствие чего пылинки заряжаются и приобретают способность перемещаться под воздействием электрического поля к осадительным электродам. Осевшую на электродах пыль периодически удаляют. Такимобразом, электрогазоочистка включает процессы образования ионов, зарядки пылевидных частиц, транспортирования их к осадительным электродам, периодическое разрушение слоя накопившейся на электродах пыли и удаление ее в пылесборные бункеры.С увеличением напряженности электрического поля и величины заряда, получаемого частицами, скорость движения заряженных частиц к электроду возрастает. Электрофильтр будет тем лучше улавливать пыль, чем больше его длина, выше напряженность поля и меньше скорость газа в аппарате[3].Конструктивно электростатические фильтры могут быть выполнены различным образом, например, фильтр представляет собой набор металлических пластин с проволокой, проходящей между ними. Между платинами и проволокой создается разность потенциалов в несколько киловольт. Врезультате пыль, которая находится в проходящем сквозь фильтр воздухе, ионизируется и оседает на пластинах.Процесс обеспыливания в электрофильтре состоит из следующих стадий: пылевые частицы, проходя с потоком газа электрическое поле, получают заряд; заряженные частицы перемещаются к электродам с противоположным знаком; осаждаются на этих электродах; удаляется пыль, осевшая на электродах.Зарядка частиц первый основной шаг процесса электростатического осаждения. Большинство частиц, с которыми приходится иметь дело при газоочистке, сами по себе несут некоторый заряд, приобретенный в процессе их образования, однако эти заряды слишком малы, чтобы обеспечить эффективное осаждение. При очистке воздуха,зарядка частиц достигается пропусканием частиц через корону постоянного тока между электродами электрофильтра, так как при этом образуетсяменьше озона.Основными элементами электрофильтра являются коронирующий и осадительный электроды. Первый электрод 3 в простейшем виде представляет собой проволоку (сетку), натянутую в трубке, между или над пластинами, второй 2 представляет собой поверхность трубки или пластины, окружающей коронирующий электрод (рисунок 1).На коронирующие электроды подается постоянный ток высокого напряжения 15...20кВ. Коронирующий электрод обычно имеет отрицательную полярность, осадительный электрод заземлен. Это объясняется тем, что корона при такой полярности более устойчива, подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных. Последнее обстоятельство связано с ускорением зарядки пылевых частиц.В поле короны электрофильтра реализуются два различных механизма зарядки частиц. Наиболее важна зарядка ионами, которые движутся к частицам под действием внешнего электрического поля. Вторичный процесс зарядкиобусловлен диффузией ионов, скорость которой зависит от энергии теплового движения ионов, но не от электрического поля. Зарядка в поле преобладает для частиц диаметром более 0,5 мкм, а диффузионная —для частиц мельче 0,2 мкм; в промежуточном диапазоне (0,2... 0,5 мкм) важны оба механизма.Скорость дрейфа частиц в электрическом поле в значительной мере зависит от размеров частиц. Эта зависимость имеет сложный характер ввиду различия механизмов перемещения частиц разных размеров. Считается, что в диапазоне размеров менее 0,1...0,3 мкм скорость перемещения частиц в электрическом поле уменьшается с их укрупнением, в диапазоне от 0,3 до 20 мкм увеличивается с увеличением диаметра и затем вновь несколько снижается.Наиболее интересными являются экспериментыпо оценке изменения коэффициента проскока в зависимости от размера частиц при определенной скорости потока, особенно в тех случаях, когда диаметр частиц меньше 0,3 мкм.При проведении экспериментальных исследований с моделью электростатического фильтра мыполучили следующую кривую:
Эта кривая показывает характер изменения коэффициента проскока частиц различного размера. Экспериментальные и теоретические данные о размере частиц с максимальным проскоком совпадают.На основе проведенного исследованиярезультаты эксперимента были занесены в таблицу 1.
Таблица 1Изменение коэффициента проскока от диаметра частиц
Диаметр частиц, мкмКоэффициент проскока, %0,149.80,10,2390,20,422,90,40,89,50,81,64�1,60
Огромную роль в достижении максимальной эффективности пылеулавливания играет конструктивное исполнение коронирующих и осадительных электродов.Коронирующие электроды можно разделить на две группы (рисунок 2). К первой группе относятся электроды, которые не имеют фиксированных коронирующих точек. При отрицательной короне –отрицательной полярности коронирующих электродов –светящиеся точки располагаются вдоль электрода на разных расстояниях друг от друга в зависимости от состояния поверхности электрода. Типичные виды электродов этой группы: круглый диаметром 2…4 мм, квадратный со стороной 3…4 мм и штыкового сечения, вписывающийся в квадрат со стороной 4…5 мм (рисунок 2, а).Ко второй группе относятся электроды с фиксированными точками разряда по их длине. Типичными видами этих электродов являются колючая проволока, пилообразные и игольчатые электроды (рисунок 2, б). Электроды второй группы при равных напряжении и межэлектродном расстоянии обеспечивают значительно больший ток короны, чем электроды первой группы. Легче обеспечивается необходимая механическая прочность. В настоящее время получили широкое распространение коронирующие электроды ленточноигольчатого типа. Они легко изготавливаются путем штамповки и при наличии достаточной механической прочности обладают хорошими электрическими характеристиками.
Рисунок 2. Электроды электрофильтрова) –гладкие коронирующие электроды; б) –коронирующие электроды сфиксированными точками разряда; в) –осадительные электроды
Осадительные электроды электрофильтров также имеют разнообразную форму: они имеют гладкую поверхность без острых углов, необходимую для обеспечения высокой напряженности электрического поля, и полости, позволяющие стряхивать пыль с минимальным вторичным уносом (рисунок2,в).Для успешной работы электрофильтров имеет важное значение установка коронирующих проводов точно по оси между осадительными пластинами. При обсуждении данного вопроса было предложено произвести модернизацию коронирующего элемента и заменой его на пластины, что позволит увеличить магнитное поле, а следовательно и повысить эффективность осаждение пыли. В результате получилось следующее:
Кривая показывает как изменяется коэффициент проскока от увеличения числа осадителей.На основе проведенного исследованиярезультаты эксперимента были занесены в таблицу 2.
Таблица 2Изменение коэффициента проскока от диаметра частиц
Диаметр частиц, мкмКоэффициент проскока, %0,139,80,10,231,20,20,418,30,40,87,60,81,63,2�1,60Изменение коронирущего элемента и увеличение числа осадителей позволило добиться снижения коэффициента проскока на 25%.Фракционная эффективность электрического фильтра дана в таблице 3.
Таблица 3Фракционная эффективность электрического фильтра
Размер частиц, мкмЧисло частиц в воздухеЭффективность улавливания,%перед фильтромпосле фильтра0,5400040589,90,6250510795,70,710004695,40,85002794,60,91801293,511407951,545393,3228196,6
Эффективность обеспечения качества рабочих смесей с помощью применения фильтрационных установок многократно проверена на практике. Важными результатами являются:
Резкое уменьшение числа крупных частиц в рабочей смеси, что приводит к практическому исчезновению внезапных отказов клапаннораспределительной аппаратуры и значительному снижению интенсивности отказов поршневой группы.
Значительное повышение ресурса рабочей жидкости в связи с замедлением процессов окисления, для которых загрязнения являются катализатором.
Повышение ресурса штатных фильтров привода за счет значительного снижения нагрузки на них.
Ссылки на источники1.ШтокманЕ.А.Очистка воздуха –М.: Изд. АСВ, 1999.2.ДенисовС.И.Улавливание и утилизация пылей и газов –М.: Металлургия, 1991.3.АлиевГ.М.Устройство и обслуживание газоочистительных и пылеулавливающих установок М.: Металлургия, 1983.
Dmitriy Dorovskikh,Candidate of technical sciences, associate Professor of department "Motor Transport Operation and Repair", Tambov State Technical University, Tambov
Dmitriy Konovalov,Assistant of department "Motor Transport Operation and Repair", Tambov State Technical University, TambovImprovement of air clearing process in internalcombustion engines, operating in conditions of highdust concentrationAbstract. The article overviews the issues of application of electrostatic filters for preliminary air cleaning in automotivetractor engines operated in the high dusty environment. It provides characteristics of the air polluting abrasive grits, working conditions and parameters of electrostatic filters installed for the pilot studies.Keywords: air, filtration, abrasive grits, engine, electricity.
