«СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИ РАБОТЕ В ПОМЕЩЕНИЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ...»

Импульсная электродвижущая сила от катушки индуктивности 19 по электропроводу 20 поступает в электронный блок управления 14. Где происходит дифференцирование непрерывных данных об угловой скорости.

Это дает возможность получения непрерывных сведений об ускорении и замедлении коленчатого вала 17 двигателя 1. На основании непрерывных сведений электронный блок управления 14 дает команду электромагнитному паровому инжектору 6 на включение определенного режима работы. Водяной пар поступает в приемный патрубок А устройства для обработки паровоздушной смеси ультрафиолетовым излучением 5. Где смешиваясь с воздухом, он подвергается обработке ультрафиолетовым излучением, поступающим от излучателя В устройства 5. Облученная паровоздушная смесь поступает во впускной коллектор 7, обеспечивая работу дизельного ДВС 1.

Система обеспечивает автоматическую подачу облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя при нагрузках близких к номинальным. Она не подвержена большим электрическим и механическим износам, проста по устройству, и ею легко оборудовать дизельный двигатель. В случае неисправности системы дизельный двигатель может продолжать работу на штатной системе питания.

Проверка эффективности метода снижения токсичности и дымности отработавших газов подачей облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя проводилась путем моторных стендовых испытаний этого двигателя в лаборатории испытаний по приведенной выше методике.

облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор, обработка и обобщение материалов подтвердили данные, полученные при лабораторных испытаниях, приведенные в приложении Б2.

3.3.4 Результаты исследования и оценка влияния на токсичность облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор двигателя Для определения влияния количества подачи водяного пара и мощности компонентов ОГ дизельного двигателя и выявления оптимальных значений был проведен двухфакторный эксперимент.

План проведения экспериментальных исследований представлен в приложении.

В результате статистической обработки экспериментальных данных были получены математические модели зависимости концентраций токсичных компонентов ОГ дизельного двигателя от количества подач водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения:

- для оксида углерода СО % 99,9989 3,0483G П 8,803W 0,0001G П 0,0003G ПW 0,002W - для углеводородов СН % 100 0,248G П 2,6933W 8,807 Е 15G П 7,2782 Е 14G П W 4,9183Е 13W - для оксида азота NО х % 99,9986 6,3521G П 16,6236W 1,0858Е 14G П 2,7877 Е 15G П W 0,0051W - для сажи Сажа % 100 0,8772G П 59,8667W 1,9908Е 15G П 2,9631Е 14G П W 4,9738Е 14W Проверка воспроизводимости эксперимента, определение значимости коэффициентов моделей и оценку адекватности полученных модели по критерию Фишера, показал, что уравнения достаточно точно описывают исследуемые зависимости с вероятностью 100%. Следовательно пригодны для практического использования. Графические изображения откликов полученных моделей приведены на рисунках 3.15 – 3.18.

СО = 99,9989-3,0483G п+8,803W-0,0001G п +0,0003G пW-0,002W Рисунок 3.15 – Графическая зависимость концентрации оксида углерода в ОГ дизельного двигателя от количества подачи водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения Из графических зависимостей, представленных на (рисунок 3.17–3.20), видно, что влияние количества подачи водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения, как основных составляющих облученной паровоздушной смеси, на концентрации токсичных компонентов ОГ дизельного двигателя различно.

СН = 100+0,248G п-2,6933W+8,807Е-15G п -7,2782Е-14G пW-4,9183Е-13W Рисунок 3.16 – Графическая зависимость концентрации углеводородов в ОГ дизельного двигателя от количества подачи водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения NОх = 99,9986-6,3521G п+16,6236W+1,0858Е-14G п +2,7877Е-15G пW-0,0051W Рисунок 3.17 – Графическая зависимость концентрации оксида азота в ОГ дизельного двигателя от количества подачи водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения Сажа = 100-0,8772G п-59,8667W-1,9908Е-15G п +2,9631Е-14G пW+4,9738Е-14W Рисунок 3.18 – Графическая зависимость концентрации сажи в ОГ дизельного двигателя от количества подачи водяного пара и мощности Снижение концентраций оксидов углерода и азота зависит от увеличения количества подачи водяного пара при одновременном уменьшении мощности потока ультрафиолетового излучения. При номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя (n ном = оксидов углерода и азота в ОГ (СО = 1,01 мг/л, NО х = 2,16 мг/л) соответствует максимальному количеству подачи водяного пара (G п = 6,612 м3/ч) и минимальной мощности потока ультрафиолетового излучения (W = 0 кВт).

Однако для снижения концентраций углеводородов и сажи в ОГ требуется уменьшение количества подачи водяного пара и увеличение мощности потока ультрафиолетового излучения. При номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя минимальное содержание углеводородов и сажи (СН = 0,02975 мг/л, сажа = 0,092 мг/л) соответствует минимальному количеству подачи водяного пара (G п = 0 м3/ч) и максимальной мощности потока ультрафиолетового излучения (W = 1,500 кВт).

Из вышесказанного, учитывая степень воздействия на человеческий организм токсичных веществ и их класс опасности, можно сделать следующий вывод. Оптимальными величинами для дизельного двигателя Д-243, с целью снижения токсичности его ОГ в целом, следует считать количество подачи водяного пара в размере 4,959 м3/ч и мощность потока ультрафиолетового излучения, эквивалентную 1,125 кВт.

3.3.5 Результаты производственной проверки С целью проверки работоспособности разработанной нами аппаратуры для подачи облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя был поставлен производственный опыт. Суть которого заключалась в получении сравнительных результатов проверки состояния воздушной среды в складских помещениях МУП «Рязанские городские распределительные электрические сети".

Таблица 3.2 – Динамика изменения состояния атмосферы невентилируемого складского помещения при выполнении энергоемких операций модернизированным мобильным энергетическим средством Сумма углеводородов Из данных, представленных в таблице 3.2 и рисунке 3.19 видно, что концентрация вредных веществ в атмосфере складского помещения после четырех часов непрерывного выполнения основных энергоемких операций по транспортировке и укладке номинального груза универсальным самоходным автопогрузчиком модели 4045Р с модернизированной системой питания при неработающей естественной вентиляции хотя и превышает ПДК, но значительно уменьшилась по сравнению с исходным вариантом. Так концентрация токсичных веществ в атмосфере складского помещения уменьшилась по оксиду углерода на 5,2%, сумме углеводородов - 1,8%, оксиду азота – 12,8% и по саже на 63,0%.

Рисунок 3.19 – Динамика роста концентраций вредных веществ в атмосфере складского помещения без вентиляции при выполнении энергоемких операций модернизированным МЭС а - вид общий спереди; б - вид общий сзади Рисунок 3.20 – Опытный образец модернизированного универсального 1 - патрубок подачи облученной паро-воздушной смеси; 2 - шланг отвода картерных газов; 3 - блок питания лампы ультрафиолетового излучения; 4 электропровод; 5 - двигатель дизельный Д-243; 6 - устройство для обработки паро-воздушной смеси ультрафиолетовым излучением; 7 - корректорвключатель; 8 - патрубок воздушный; 9 - электронный блок управления; 10 аккумуляторная батарея; 11 - клапан паровой аварийный; 12 - паропровод; 13 клапан электромагнитный паровой; 14 - инжектор электромагнитный паровой Рисунок 3.21 – Вид общий моторного отсека с элементами системы подачи облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя (по правому борту автопогрузчика) 1 - емкость расходная; 2 - термоизолятор; 3 – силовой инвектор лампы ультрафиолетового излучения; 4 – газоприемник Рисунок 3.22 – Вид общий моторного отсека с элементами системы подачи облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя (по левому борту автопогрузчика) Таким образом, предложенный и реализованный способ снижения токсичности ОГ, подачей облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор, позволяет значительно снизить содержание ВВ в выхлопе дизельного двигателя мобильного энергетического средства.

Выводы по главе На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что непосредственно после выполнения энергоемких операций мобильным энергетическим средством (автопогрузчиком) в складском помещении общим объемом 31104 м3, особенно в зимнее время года, значительно возрастает концентрация ВВ в его атмосфере, которая через четыре часа превышает ПДК по оксиду углерода в 5,61, сумме углеводородов – 23,20, оксиду азота – 21,32, саже – 8,76 раза. При максимальной естественной вентиляции помещения концентрации основных токсичных компонентов, указанных выше, достигают ПДК по оксиду углерода через 5 часов, по сумме углеводородов и оксиду азота через 8 часов, а по саже через 6 часов, что вызывает необходимость сочетать интенсивную вентиляцию помещения с одновременным снижением токсичности ОГ дизельного двигателя.

2. Выявлено условие безопасного использования мобильного энергетического средства с двигателем внутреннего сгорания в вентилируемом складском помещении, которое зависит от начального содержания ВВ в воздухе и его концентрации, типа двигателя и его рабочих режимов, а также от объема помещения.

3. Конструктивно-технологическая схема модернизированной системы питания должна включать в себя штатную топливоподающую аппаратуру и аппаратуру системы подачи облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя, содержащую устройство для обработки паро-воздушной смеси ультрафиолетовым излучением, парогенератор, электромагнитный паровой клапан, электромагнитный паровой инжектор, который обеспечивает необходимую подачу водяного пара при заданных режимах работы двигателя за счет дифференциальной связи с электронным блоком управления, а также элементы парового и электрического оборудования.

4. Конструктивно-технологическая схема устройства для образования паро-воздушной смеси и ее ультрафиолетового облучения, должна включать в себя воздухоочиститель, приемный патрубок с технологическим окном, жиклер подачи водяного пара, диффузор, излучатель с лампой ультрафиолетового излучения и шиберной заслонкой, а также отводной патрубок картерных газов.

эжектором для обработки паро-воздушной смеси ультрафиолетовым излучением зависят от скорости, давления и количества подаваемого пара и эжектируемого воздуха, а также режимов работы двигателя. Количество ОГ необходимо рассчитывать в зависимости от расхода топлива на холостом и рабочем ходах мобильного погрузочного энергетического средства с учетом загрузки его двигателя, определяемой по затратам мощности на перемещение автопогрузчика, и мощности, передаваемой через ВОМ на привод механизма систем грузоподъема.

облученной паро-воздушной смеси, для снижения концентрации токсичных компонентов ОГ дизельного двигателя Д-243, следует осуществлять при его номинальных нагрузках. Оптимальными величинами следует считать количество подачи водяного пара в размере 4,959 м3/ч и мощность потока ультрафиолетового излучения, эквивалентную 1,125 кВт. При этом:

- эффективная мощность снижается на 4,8%;

- удельный расход топлива увеличивается на 3,1%;

- температура ОГ снижается на 9,1%;

- содержание оксида углерода в ОГ сокращается на 5,2%;

- содержание углеводородов в ОГ сокращается на 1,8%;

- содержание оксида азота в ОГ сокращается на 12,8%;

- содержание сажи в ОГ сокращается на 63%.

7. Установлено, что непосредственно после выполнения энергоемких операций модернизированным мобильным энергетическим средством (автопогрузчиком) в складском помещении общим объемом 31104 м3, концентрация ВВ в его атмосфере, через четыре часа превышает ПДК по оксиду углерода в 5,32, сумме углеводородов – 22,78, оксиду азота – 18,59, саже – 3,24 раза.

8. При максимальной естественной вентиляции концентрации основных токсичных компонентов, наработанные в течение четырех часов, достигают ПДК по оксиду углерода через 5 часов, по сумме углеводородов часов, оксиду азота через 7 часов, а по саже через 2 часа.

ГЛАВА 4. Исследование устройства по очистке отработавших газов от сажи с помощью электрического фильтра на выпуске дизельного двигателя отработавших газов от сажи дизельного двигателя 4.1.1 Конструктивно – технологическая схема электрического фильтра для улавливания частиц сажи в системе выпуска дизеля Проведенный анализ конструкций электрических фильтров (ЭФ) выявил два основных недостатка, оказывающих большое влияние на эффективность очистки дизельного выхлопа от сажевых частиц [111]:

– быстрое загрязнение поверхности коронирующих электродов и электроизоляторов сажей, что приводит к нарушению режима горения коронного разряда;

– вторичный унос значительной части сажевых частиц с поверхности осадительного электрода потоком ОГ двигателя.

С целью устранения этих недостатков была разработана конструкция ЭФ (патент №59153), схема которой представлена на рисунке 4.1 [256].

ЭФ состоит из цилиндрического стального корпуса 1, впускного канала 22, коронирующих 20 и некоронирующих 8 электродов, подключенных через диэлектрические втулки 9 к источнику высоковольтного питания 10.

Некоронирующие электроды 8 имеют форму цилиндра и закреплены в перегородке 21, расположенной на оси 2 и сделанной из диэлектрического материала. Напротив впускного канала 22 установлен подвижный стакан 4, внутри которого находится металлическая путанка 3. Стакан связан с перегородкой 21 пружиной 19, и соединяется через диэлектрические пластины 5 с коронирующими электродами 20. Они имеют возможность перемещаться в 1 – корпус фильтра; 2 – направляющая ось; 3 – металлическая путанка;

4 – подвижный стакан; 5 – диэлектрическая пластина; 6 – направляющая;

7 – очиститель сажи; 8 – некоронирующий электрод; 9 – диэлектрическая втулка; 10 – источник высоковольтного питания; 11 – диэлектрическая втулка;

12 – болт; 13 – выпускной канал; 14 – большой сажесборник; 15 – малый сажесборник; 16 – диэлектрическая шайба; 17 – уплотнительная прокладка;

18 – планка; 19 – пружина; 20 – коронирующий электрод; 21 – перегородка;

Рисунок 4.1 – Схема электрического фильтра направляющих 6, между которыми установлены очистители сажи 7.

Для более полного улавливания сажевых частиц и предотвращения вторичного их уноса в атмосферу, в зоне выпускного канала установлены большой 14 и малый 15 сажесборники, подключенных к разным полюсам источника высоковольтного питания 10.

Малый сажесборник 15 крепится к планке 18 через диэлектрические шайбы 16. Большой сажесборник 14 находится в зоне выпускного канала, и соединяется с корпусом фильтра болтами 12 через диэлектрические втулки 11.

Корпус 1 ЭФ крепится к штатной трубе глушителя двигателя и выполнен разъемным, части которого соединяются через уплотнительную прокладку17.

За счет снижения скорости отработавших газов (ОГ) на участке горения коронного разряда увеличивается степень очистки ЭФ. Для этого напротив впускного канала 22 по ходу движения ОГ установлен подвижный стакан 4, связанный с перегородкой 21 упругим элементом 19. Он служит для гашения скорости пульсирующего потока ОГ двигателя. Для поддержания стабильности режима горения коронного разряда внутри подвижного стакана размещена мелкая металлическая путанка 3. Она выполняет роль уловителя аэрозолей моторного масла и конденсата, содержащихся в ОГ дизельного ДВС.

Для предотвращения загрязнения сажей наружных поверхностей коронирующих электродов 20, последние проходят внутри очистителей 7, и могут перемещаться в них за счет действия на подвижный стакан давления потока ОГ двигателя.

Устройство работает следующим образом. ОГ через впускной канал поступают в ЭФ, где попадают на поперечную перегородку 21 и подвижный стакан 4, отчего происходит заметное снижение скорости ОГ двигателя на участке горения коронного разряда. Это является необходимым условием для эффективного протекания процесса электрической зарядки частиц сажи. При подаче высокого напряжения к коронирующим электродам 20, между ними и некоронирующими электродами 8 зажигается коронный разряд. В результате этого межэлектродный промежуток будет заполнен в основном отрицательно заряженными ионами газа. В связи с тем, что подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных, то ОГ двигателя ионизируются в поле отрицательной короны, и частицы сажи приобретают отрицательный заряд.

Кроме отрицательно заряженных частиц сажи в потоке ОГ будут присутствовать частицы, несущие положительный заряд. Это вызвано тем, что часть сажевых частиц под действием электрического поля высокой напряженности достигают поверхности некоронирующего электрода, и отдают свой отрицательный потенциал вследствие очень малого удельного сопротивления.

В результате частицы получают положительный заряд некоронирующего электрода, отталкиваются от него и возвращаются в поток ОГ. С потоком ОГ заряженные сажевые частицы поступают в зону выпускного канала 13, последовательно проходя через большой 14 и малый 15 сажесборники. Такое расположение сажесборников способствует более полному улавливанию сажи, так как поток газов при выходе в атмосферу совершает разворот на 360°, тем самым, прижимая своей струей осевшие частицы сажи к торцевым перегородкам сажесборников. Большой сажесборник 14 подключен к положительному полюсу, а малый сажесборник 15 к отрицательному полюсу источника высоковольтного питания 10, поэтому частицы сажи, имеющие противоположный заряд по отношению к потенциалу сажесборника, осаждаются на его поверхности, а очищенные ОГ двигателя через выпускной канал 13 выходят в атмосферу. По мере накопления сажи, необходимо производить очистку сажесборников, для чего конструкция ЭФ выполнена разъемной.

Разработанная конструкция ЭФ позволяет увеличить надежность работу системы очистки дизельного выхлопа за счет обеспечения стабильности процесса электрической зарядки и осаждения сажевых частиц.

4.1.2. Теоретический анализ действия сил в электрофильтре на взвешенную в потоке отработавших газов частицу сажи Взвешенные в ОГ двигателя сажевые частицы при поступлении в зону расположения электродов (рисунок 4.2.) ЭФ, приобретают электрический заряд, достигающий значения, близкого к максимальному, за доли секунды [132].

1– некоронирующий электрод, 2 – коронирующий электрод, 3 – частица сажи Рисунок 4.2 – Схема действия сил в электрофильтре В общем случае на взвешенную в потоке ОГ частицу сажи внутри зоны разрядного пространства ЭФ действует результирующая сила, которая равна:

где F В – результирующая сила увлечения частицы движущимся потоком ОГ, Н;

F И – сила индукции, Н;

F К – кулоновская сила, Н;

F С – сила сопротивления среды, Н.

Сила индукции определяется из следующего выражения [317]:

где О – диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м;

– относительная диэлектрическая проницаемость среды;

r – радиус частицы сажи, м;

Е – напряженность электрического поля зарядки, В/м;

Х – координата, совпадающая по направлению с электрическим полем.

Для большей части внешней зоны коронного разряда напряженность поля изменяется слабо и с достаточной для практики точностью ее можно считать постоянной, т.е. для большей части разрядного промежутка dE/dX 0, и влияние силы F И на движение сажевых частиц внутри ЭФ можно не учитывать. Только в небольшой области у коронирующего электрода напряженность поля резко изменяется и dE/dX принимает отрицательное значение. Поэтому лишь в непосредственной близости от коронирующего электрода может проявляться действие этой силы на крупные сажевые частицы, заставляя двигаться их к коронирующему электроду.

Основной силой, действующей на частицу сажи в ЭФ, является кулоновская сила F К действия электрического поля на заряд частицы:

где q М – максимальный заряд частицы сажи, Кл;

Е ОС – напряженность электрического поля осаждения, В/м.

Вне области короны действие этой силы на сажевую частицу направлено к некоронирующему электроду.

Для крупных сажевых частиц диаметром больше 1 мкм максимальный заряд составит [317]:

где – показатель диэлектрических свойств частицы сажи.

Величину можно вычислить из формулы [279]:

Для мелких сажевых частиц диаметром менее 1 мкм максимальный заряд определим по следующей формуле [317]:

где т – масса иона, кг;

– время зарядки, с;

Т – абсолютная температура, К;

К Б – постоянная Больцмана, Дж/град;

N O – начальная концентрация ионов коронного разряда;

l – величина заряда электрона, Кл.

Передвигаясь в электрическом поле, заряженная частица сажи будет испытывать действие силы сопротивления среды F С, которая зависит как от ее размеров и скорости движения, так и от вязкости среды.

где – коэффициент динамической вязкости ОГ, (Н·с)/м2;

п – скорость движения частицы сажи, м/с.

Применительно ко второму закону механики, уравнение (4.1) выглядит следующим образом [26]:

После преобразований, выражение (4.8) примет вид:

Уравнение (4.9), дифференциальное линейное 1-го порядка, решая которое, получаем следующее соотношение для определения скорости движения сажевых частиц к осадительным электродам фильтра [125]:

Значение экспоненты в степени очень мало, то им можно пренебречь.

Окончательно выражение для скорости движения частиц сажи в общем будет определяться как:

Осевшие сажевые частицы удерживаются на поверхности электродов под действием двух основных сил: сил адгезии и электрической.

Силу сцепления частицы сажи с плоскостью осадительного электрода вычислим по следующей формуле [317]:

где – механическое напряжение, Н/м2;

D – диаметр частицы сажи, м.

поверхностью осадительного электрода будет зависеть от напряженности электрического поля, удельного электрического сопротивления пыли, размера частиц, а также плотности тока короны и может быть найдена по следующей формуле [317]:

где С и С 1 – константы;

i S – плотность тока, А/м2;

Э – удельное электрическое сопротивление частиц сажи, Ом·м.

Ввиду того, что значение множества СЕ i S Э > C 1 Е2, электрическая сила F Э принимает положительное значение, что в итоге не будет способствовать вторичному уносу сажевых частиц с поверхности осадительных электродов.

предельную толщину осажденной сажи, при которой частицы будут удерживаться на поверхности осадительных электродов.

где S – средняя толщина слоя сажи на осадительных электродах, м;

пg – ускорение, сообщаемое электродам фильтра от вибраций при работе Таким образом, для увеличения силы притягивания сажевых частиц к поверхности сажесборников необходимо увеличивать максимальный заряд межэлектродном промежутке ЭФ. При этом предельная толщина осажденного слоя сажи на поверхности сажесборников не должна превышать 0,6 мм.

4.1.3. Обоснование основных параметров электрофильтра 4.1.3.1. Выбор геометрических параметров электрического фильтра производительности ЭФ и обеспечения наибольшей эффективности процесса электрической зарядки и осаждения сажевых частиц при очистке дизельного двигателя от сажи является уменьшение скорости ОГ в зоне расположения коронирующих и осадительных электродов [132].

Как показали исследования [317], скорость потока ОГ через активную зону ЭФ не должна превышать 2 м/с.

Скорость истечения ОГ двигателя через впускной канал ЭФ определим по формуле:

где D 1 – внутренний диаметр впускного канала ЭФ, м;

QОГ - расход ОГ в ЭФ, м /с.

При данной скорости движения ОГ процесс зарядки сажевых частиц будет малоэффективным ввиду очень малого времени нахождения последних в активной зоне ЭФ.

С целью продолжительности ионизации частиц сажи необходимо увеличить площадь активного сечения ЭФ, которая может быть вычислена по формуле:

где S 2 – общая площадь активного сечения ЭФ, м2;

V ОГ – необходимая скорость потока ОГ двигателя, м/с.

Учитывая, что в конструкции ЭФ предусмотрена установка двух зон зарядки сажевых частиц, определим внутренний диаметр некоронирующего электрода D 2 по следующей формуле:

1 – впускной канал электрофильтра; 2 – корпус электрического фильтра;

3 – некоронирующий электрод; 4 – перегородка; 5 – коронирующий электрод Рисунок 4.3 – Зона электрической зарядки сажевых частиц в электрофильтре Для полной ионизации частиц сажи необходимо, чтобы последние находились в активной зоне ЭФ не менее 0,1с [132, 317]. Исходя из этого условия, длина некоронирующего электрода будет:

где t –время пребывания ОГ в активной зоне ЭФ, с.

Определим диаметр коронирующего электрода по формуле:

Тогда общий внутренний диаметр корпуса ЭФ будет равен:

где – коэффициент, учитывающий необходимые воздушные зазоры между элементами конструкции фильтра ( = 1,25).

Общая площадь поперечного сечения корпуса ЭФ будет равна:

1 – коронирующий электрод; 2 – малый сажесборник; 3 – большой сажесборник; 4 – выпускной канал электрофильтра; 5 – корпус электрофильтра.

Рисунок 4.4 – Зона осаждения сажевых частиц в электрофильтре С учетом минимального воздушного зазора между корпусом ЭФ и поверхностью осадительного электрода (сажесборника) определим диаметр большого сажесборника по следующей формуле:

Диаметр малого сажесборника D 3 вычислим по следующей формуле:

где h 1 – необходимый зазор между поверхностью некоронирующего электрода и малого сажесборника.

Определим общую площадь осадительных электродов, используя следующую формулу:

Для определения глубины сажесборников l, учитывая, что D 3 = 0,5 D 4, запишем следующее уравнение:

Проведя преобразования формулы (4.25), получим выражение для определения глубины сажесборника Таким образом для эффективного процесса зарядки и осаждения сажевых частиц необходимо снижение скорости ОГ в зоне зарядки ЭФ, что может быть достигнуто путем увеличения площади поперечного сечения активной зоны фильтра при соответствующих размерах основных элементов фильтра.

электрофильтра Зарядка частиц сажи в электрическом поле высокой напряженности происходит вследствие процесса адсорбции ионов поверхностью частиц во внешней зоне коронного разряда при бомбардировке частиц сажи ионами, участвующих в тепловом движении газовых молекул [243, 317].

Величина потока ионов к единице поверхности частицы, определяющая процесс зарядки, может быть подсчитана из общего уравнения диффузии:

где N п – число ионов, попадающих на единицу поверхности частицы, м –2;

N – концентрация ионов, ион/м3;

– коэффициент диффузии, м2/сек;

l O – единичный вектор;

k – подвижность ионов, м2/(Всек).

Для частиц сажи, диаметр которых превышает 1 мкм, зарядка частицы продолжается до состояния, при котором суммарное электрическое поле у всей поверхности ее становится близким нулю. Можно приближенно считать, что концентрация ионов в электрическом поле постоянна и gradN = 0, а N = N О (начальная концентрация ионов коронного разряда, ионы/м3).

Тогда закон зарядки взвешенных частиц сажи больше 1 мкм будет иметь следующий вид:

Учитывая, что сажевые частицы имеют малое удельное электрическое сопротивление, выражение зарядки имеет вид [279]:

где – время зарядки частиц, с.

Для сажевых частиц диаметром менее 1 мкм величина потока ионов будет равна:

где – электрический потенциал поля, В.

Напряженность электрического поля, необходимая для возникновения коронного разряда в активной зоне ЭФ будет:

где i O – линейная плотность тока, А/м;

R 1 – радиус коронирующего электрода, м;

Е О – критическая напряженность поля на поверхности коронирующего Критическую напряженность электрического поля определим по формуле [317]:

где относительная плотность ОГ двигателя.

Относительная плотность ОГ может быть вычислена по формуле:

где РБ – барометрическое давление, Н/м2;

Р r – величина давления в ЭФ, Н/м2;

t – температура ОГ двигателя, о С.

Линейную плотность тока коронного разряда в электрическом фильтре определим по формуле [317]:

где U – напряжение питания электродов фильтра, В;

R 2 – радиус некоронирующего электрода, м;

U O – критическое напряжение, В.

Величину критического напряжения между коронирующим и некоронирующим электродами вычислим по формуле:

Определим электрическую концентрацию взвешенных в ОГ дизеля сажевых частиц, при которой может произойти запирание короны:

где q п – суммарный заряд частицы сажи, Кл;

Z – концентрация сажевых частиц в ОГ дизеля, кг/м3;

п – плотность сажи, кг/м3.

Для предотвращения этого эффекта электронная концентрация сажевых частиц должна быть меньше значения объемного заряда, создаваемого ионами газа:

Учитывая условие (4.37), можно определить предельную концентрацию сажевых частиц в ОГ дизеля, не приводящей к запиранию короны в ЭФ [280]:

Величина тока коронного разряда вычисляется по формуле:

где константа, зависящая от состава газа;

константа при = const.

Определим напряжение на слое сажи, осевшей на поверхности осадительных электродов по следующей формуле:

где i S поверхностная плотность тока, А/м2;

Э – удельное электрическое сопротивление сажи, Омм;

l ' – толщина слоя сажи на электроде, м;

S ' – площадь осадительного электрода, м ;

Действительное напряжение питания ЭФ, с учетом потерь, будет равно:

Величину мощности, потребляемой ЭФ, вычислим по формуле:

где U т – амплитудное значение напряжения, В;

I СР – среднее значение тока, потребляемого ЭФ, А;

k Ф – коэффициент формы кривой тока;

Э – КПД высоковольтного блока, питающего ЭФ;

1,41 – коэффициент перехода от амплитудного значения напряжения к Р 1 – мощность, потребляемая вспомогательными устройствами ЭФ, кВт.

Среднее значение тока, потребляемогоЭФ, определим по формуле:

где L' – активная длина коронирующих электродов, м.

4.1.3.3 Обоснование степени очистки от сажи ОГ дизельного двигателя Степень очистки ОГ от выбросов сажи дизеля ЭФ определяется по следующей формуле [317]:

где скорость частиц сажи в активной зоне ЭФ, м/с;

f – удельная поверхность осаждения, м2с/м3;

Для данной конструкции ЭФ удельная поверхность осаждения определяется как:

где S – общая площадь осаждения ЭФ, м2;

QОГ – расход ОГ в ЭФ, м /с.

Поскольку в ОГ дизельного ДВС сажевые частицы имеют относительно широкий диапазон своих размеров, необходимо определить скорость дрейфа для каждой фракции частиц сажи.

Скорость дрейфа сажевых частиц диаметром более 2 мкм к осадительным электродам определим по формуле [317]:

где – вязкость газов, входящих в состав ОГ дизельного ДВС, Нс/м2;

Для частиц сажи, диаметр которых меньше 2 мкм, выражение скорости будет иметь вид:

где А – постоянный коэффициент (0,815-1,63);

S М – средний свободный путь молекулы ОГ двигателя.

Вязкость газов, входящих в состав ОГ дизеля определяется следующей зависимостью:

Газовый состав ОГ дизельного ДВС многокомпонентный, поэтому определим относительную молекулярную массу основных газов по формуле:

где Х – процентное содержание газов в составе ОГ дизеля (N 2 – 75%, Н 2 О – 4%, О 2 – 14%, СО 2 – 7%);

М Х – молекулярная масса отдельного газа в составе ОГ двигателя, кг/кмоль.

Тогда общая вязкость ОГ двигателя будет определяться выражением:

Фракционную степень очистки выхлопа дизельного ДВС вычислим по следующей формуле [317]:

где п скорость дрейфа для каждой фракции сажевых частиц, м/с;

п – условное число фракций частиц сажи;

При этом общая степень очистки электрическим фильтром ОГ дизельного ДВС от сажи будет равна:

где Ф Х – процентное содержание каждой п-ой фракции сажевых частиц в выхлопе дизеля, %;

Таким образом, были выбраны основные параметры электрического фильтра, и обоснована степень очистки от сажи ОГ дизельного ДВС.

4.1.3.4 Определение жесткости пружины маслоуловителя электрофильтра Эффективность процесса электрической зарядки сажевых частиц зависит от степени загрязнения коронирующих электродов и электроизоляторов различными отложениями из ОГ двигателя. Они способны вызвать утечки высоковольтного напряжения, поэтому в конструкции фильтра установлен маслоуловитель, представленный на рисунке 4.5.

Маслоуловитель расположен напротив впускного канала ЭФ и имеет форму чашки, внутри которой размещена металлическая путанка, служащая для улавливания аэрозолей масла, воды и других частиц, присутствующих в ОГ двигателя.

1 – впускной канал электрофильтра; 2 – корпус электрического фильтра;

3 – маслоуловитель; 4 – возвратная пружина; 6 – некоронирующий электрод;

7 – очистители сажи; 8 – диэлектрические пластина; 9 – перегородка Рисунок 4.5 – Схема расположения маслоуловителя в электрофильтре Для очистки активной поверхности коронирующих электродов от маслоуловителем и имеют возможность перемещаться внутри очистителей.

При выполнении трактором механизированных работ в помещениях, его двигатель работает в широких диапазонах скоростных и нагрузочных режимов.

Расход ОГ двигателя будет часто изменяться от минимального значения на холостых оборотах до максимального своего значения при работе на режиме максимальной мощности.

При разгоне двигателя трактора происходит сжатие пружины от действия давления потока ОГ на чашку маслоуловителя, а при переходе двигателя на режим работы холостого хода под действием пружины чашка возвращается в исходное положение.

Скорость газового потока на входе в ЭФ определим по известной формуле [30, 43]:

где О ОГ М – максимальный расход ОГ, м3/с;

d ВП – диаметр впускного канала ЭФ, м.

Учитывая форму чашки маслоуловителя, вычислим максимальное давление ОГ на ее поверхность по следующей формуле [30,43]:

где СР – средняя плотность ОГ дизеля, кг/м3;

Х – расстояние от среза впускного канала фильтра до торцевой плоскости чашки маслоуловителя, м;

угол между горизонталью и радиальной поверхностью чашки, град.

процентному содержанию основных компонентов, входящих в их состав [317]:

Сила воздействия газового потока на чашку маслоуловителя при этом будет равна:

где S м – площадь сечения чашки маслоуловителя, м2.

условия нахождения работы от силы воздействия газового потока, необходимой для очистки коронирующих электродов от сажевых отложений. Это условие будет иметь следующий вид:

АПОТ АДВ АПР АТР АТР,

где А ПОТ – величина потребной работы для очистки сажевых отложений с А ДВ – работа ОГ на перемещение чашки маслоуловителя, Дж;

А ПР – работа возвратной пружины; Дж;

А ТР r, А ТР Э – соответственно работа сил трения от перемещения чашки маслоуловителя, относительно направляющей на расстояние ha, будет равна:

где т r – масса чашки маслоуловителя, кг;

f r – коэффициент трения скольжения в зоне контакта чашки с ha – перемещение коронирующих электродов для полной очистки их поверхности, определяемое шагом очистителей сажи, м.

Работу силы трения при скольжении коронирующих электродов внутри направляющих диэлектрических пластин определим по формуле [26]:

где т Э – масса коронирующего электрода, кг;

f Э – коэффициент трения скольжения коронирующих электродов в опорах;

Величины работ от сил воздействия газового потока ОГ двигателя и упругости возвратной пружины маслоуловителя определяются из следующих выражений соответственно [26]:

где С – коэффициент жесткости пружины маслоуловителя, Н/м.

электродов от сажевых отложений, может определяться выражением [227, 277]:

где [ ] З – предельное напряжение разрушения сажевого загрязнения, Н/мм2;

d – диаметр коронирующего электрода, мм;

L – длина коронирующих электродов, мм.

Подставляя значения работ из формул (4.58, 4.59, 4.60, 4.61, 4.62) в неравенство (4.57), получим:

Произведя необходимые преобразования неравенства (4.63), получим выражение для определения жесткости пружины:

4.1.3.5 Определение газодинамического сопротивления ОГ двигателя трактора в электрическом фильтре При работе трактора с дизельным двигателем ЭФ, установленный на выхлопной трубе оказывает газодинамическое сопротивление ОГ, являющейся переменной величиной на разных режимах работы двигателя. При работе двигателя на максимальной мощности, газодинамическое сопротивление проходящих через ЭФ, а при работе на холостом ходу соответственно – минимального [43].

Зная зависимость изменения величины газодинамического сопротивления на различных режимах работы дизеля трактора, можно оценить снижение мощностных и экономических показателей работы двигателя. Ухудшение отразиться на его тягово-скоростных характеристиках, определяющих выполнение МЭС основных технологических операций в помещениях сельскохозяйственного назначения.

Для определения величины потери мощности на ЭФ воспользуемся следующей [35]:

где Q М – максимальный расход ОГ двигателя, м3/с;

р – максимальный перепад давлений в ЭФ, Па.

Перепад давления ОГ между впускным и выпускным каналом будет определяться как:

где Н п – суммарные потери напора ОГ, м.г.ст;

Г – средняя плотность ОГ, кг/м3.

Потери напора в ЭФ вычислим по следующей формуле:

где Н 1, Н 2 – соответственно напор ОГ на входе и выходе в ЭФ, м.г.ст;

Для определения величины напора ОГ в сечениях фильтра запишем уравнение Бернулли [30]:

VВХ VВЫХ

Проведя преобразования уравнений (4.67) и (4.68), и учитывая, что z 1 = z 2, окончательно потери ОГ в ЭФ будут равны:

где – коэффициент неравномерности распределения скоростей струй ОГ по V ВХ, V ВЫХ – соответственно скорости ОГ на входе и выходе из ЭФ, м/с;

h 1-2 – сумма гидравлических потерь напора ОГ между сечениями 1-2.

1 – впускной канал ЭФ; 2 – перегородка; 3 – некоронирующий электрод;

4 – корпус ЭФ; 5 – выпускной канал ЭФ; 6 – трубка измерения давления ОГ;

kвх – местный коэффициент гидравлического сопротивления на входе в патрубки ЭФ; kвых - местный коэффициент гидравлического сопротивления на выходе из патрубков ЭФ Рисунок 4.6 – Расчетная схема газодинамического сопротивления ЭФ Суммарные гидравлические потери можно вычислить из следующего выражения [35]:

где l ТР – длина некоронирующего электрода, м;

D 2 – диаметр некоронирующего электрода, м;

V 2 – скорость ОГ через активную зону ЭФ, м/с;

ВП, ВЫП коэффициенты гидравлического сопротивления в зоне коэффициент гидравлического трения ОГ в ЭФ.

отработавших газов Программа исследований содержала:

исследование влияния ЭФ установленного в систему выпуска трактора на эффективные показатели работы двигателя;

исследование степени влияния величины высоковольтного напряжения питания ЭФ и времени нахождения сажевых частиц в его активной зоне на дымность ОГ.

структурная схема, которая показана на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 – Структурная схема лабораторных испытаний 4.2.1. Лабораторная установка В качестве объекта исследований был выбран дизельный двигатель Владимирским тракторным заводом, тягового класса 6 кН. Тракторы данного семейства часто используются для выполнения механизированных работ в помещениях сельскохозяйственного назначения (фермах, теплицах, складах, производственных цехах) [64,285].

Схемы лабораторных установок представлены на рисунках 4.8 и 4.9.

1 – контрольные весы РН-10Ц13М; 2 – расходная емкость с топливом;

3 – трехходовой кран; 4 – трактор Т-25; 5 – двигатель трактора Д-21;

6 – упорный лоток; 7 – штатный глушитель трактора; 8 – ведущий барабан стенда; 9 – ведущее колесо трактора; 10 – опорный барабан; 11 – редуктор;

12 – балансирная машина; 13 – нагрузочный реостат КИ-8935 6546;

14 – пульт управления; 15 – силовой шкаф; 16 – блок приборов контроля;

17 – стенд диагностический для колесных тракторов КИ-8927; 18 – тахометр;

19 – динамометр; 20 – бак с топливом; 21 – электрический фильтр Рисунок 4.8 – Общая схема лабораторной установки Лабораторные исследования двигателя Д-21А проводились на базе лаборатории испытаний тракторов и автомобилей Рязанской государственной сельскохозяйственной академии.

1 – генератор двигателя; 2 – двигатель трактора; 3 – штатная труба глушителя двигателя; 4 – шаровой вентиль для изменения расхода отработавших газов;

5 – газоотводящая трубка; 6 – трубка измерения перепада давления отработавших газов двигателя; 7 – манометр МТИ; 8 – мультиметр М-838;

9 – термопара; 10 – измеритель дымности отработавших газов МЕТА-01МП;

11 – термоанемометр АТТ-1004; 12 – электрический фильтр;

13 – высоковольтные провода; 14 – блок высоковольтного напряжения;

15 – амперметр Рисунок 4.9 – Схема лабораторной модели электрического фильтра Общий вид лабораторной установки показан на рисунках 4.10 и 4.11.

1 – блок высоковольтного напряжения; 2 – трактор; 3 – нагрузочный реостат КИ-89356546; 4 – топливоподающая магистраль; 5 – емкость с топливом;

6 – манометр МТИ; 7 – экспериментальная модель электрофильтра;

8 – газоотводящая трубка; 9 – беговые барабаны Рисунок 4.10 – Вид общий лабораторной установки при испытаниях трактора Лабораторная установка состоит из загрузочного устройства 3, экспериментальной модели ЭФ 7, установленного на штатной трубе глушителя 1 трактора (рисунок 4.11), стрелочного манометра МТИ 6, высоковольтного блока питания электрофильтра 1, амперметра 4 (рисунок 4.11), измерителя дымности ОГ дизельного двигателя (рисунок 4.11).

1 – штатный глушитель трактора; 2 – экспериментальная модель электрического фильтра; 3 – блок высоковольтного напряжения; 4 – амперметр;

5 – трактор; 6 – измеритель дымности отработавших газов МЕТА-01МП;

7 – манометр МТИ Рисунок 4.11 – Вид общий лабораторной установки при испытаниях трактора В качестве загрузочного устройства при проведении испытаний трактора применялся диагностический стенд для колесных тракторов КИ- Диагностический стенд состоит из балансирной машины переменного тока, соединенной через редуктор с беговыми барабанами 9 (рисунок 4.10) нагрузочного реостата КИ-89356.

Для снижения выброса сажи в системе выпуска двигателя трактора была установлена экспериментальная модель ЭФ (рисунок 4.12). Она подключается к высоковольтному блоку (рисунок 4.13), питание которого осуществляется от штатной системы электрооборудования трактора.

1 – провод высоковольтного напряжения; 2 – трактор; 3 – трубка измерения перепада давления ОГ двигателя; 4 – экспериментальная модель электрофильтра; 5 – манометр МТИ; 6 – штатный глушитель трактора;

7 – мультиметр М-838; 8 – термопара; 9 – газоотводящая трубка Рисунок 4.12 – Экспериментальный электрический фильтр 1 – лампа сигнализации включения блока; 2 – корпус блока; 3 – канал выхода высоковольтного напряжения; 4 – амперметр; 5 – вентилятор центробежный;

6 – резистор переменный; 7 – тумблер включения Рисунок 4.13 – Блок высоковольтного напряжения Блок (рисунок 4.13) содержит три выходных канала 3, обеспечивающих питание через высоковольтные провода 1 (рисунок 4.12) коронирующих электродов и сажесборников ЭФ. В конструкции фильтра предусмотрена световая сигнализация включения 1, а также регулировка выходного напряжения каждого канала, переменными резисторами 6. На верхней панели блока установлен центробежный вентилятор 5, обеспечивающий необходимый тепловой режим работы электронной схемы и высоковольтных трансформаторов.

Основные параметры блока высоковольтного напряжения приведены в приложении Б3.

Содержание в ОГ дизельного двигателя частиц сажи определяет дымность его выхлопа. При проведении лабораторных испытаний двигателя трактора на диагностическом стенде порядок их подготовки и условия проведения соответствовали требованиям ГОСТ 17.2.2.02 «Атмосфера. Нормы и методы определения дымности отработавших газов дизелей, тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин» [82]. Для замера дымности выхлопа дизеля трактора использовался измеритель дымности МЕТА-01МП [118].

4.2.2. Методика лабораторных исследований Лабораторные испытания дизельного двигателя трактора проводились в установившихся режимах на внешней скоростной характеристике двигателя трактора и на холостом ходу в режиме свободного ускорения дизеля [129, 326].

При снятии внешней скоростной характеристики двигателя рычаг управления регулятором ТНВД установлен в крайнее положении, соответствующем максимальной подаче топлива. Контрольными точками при испытаниях являлись режимы максимального крутящего момента (М К мах), номинального (М К ном ) и четыре точки между ними [51, 272]. На каждом режиме внешней скоростной характеристики дымность измерялась три раза, при этом разность результатов измерений не должна превышать 4%. За результат измерений принималось среднеарифметическое значение трех измерений дымности ОГ двигателя.

Дымность выхлопа трактора на режиме свободного ускорения двигателя измерялась восемь раз. За результат измерения принималось среднее арифметическое значение четырех последних измерений, разность между которыми не превышала 4%, и они не составляли убывающую или возрастающую последовательность [129, 272].

Перед началом проведения опытов двигатель трактора прогревался до рабочей температуры. После чего на 10…15 сек устанавливалась максимальная частота вращения коленчатого вала двигателя для прогрева оптического блока измерителя дымности, и снимались пробные показания величины дымности ОГ. После прогрева прибора из дымоотборного зонда и оптического блока удалялись остатки ОГ двигателя, а показания прибора обнулялись для дальнейшего замера дымности выхлопа трактора [118, 326].

На режиме свободного ускорения, при работающем на минимально устойчивой частоте вращения двигателе, орган управления регулятора частоты вращения коленчатого вала в течение 0,5 с перемещался в положение соответствующее максимальной подаче топлива. Такое положение органа управления сохранялось 5…10 сек, в течение которых на режиме измерения текущего значения дымности фиксировалось максимальное ее значение [52, 326].

При снятии внешней скоростной характеристики двигателя замер дымности ОГ осуществлялся по команде оператора в контрольных точках характеристики при устойчивой работе двигателя трактора на каждом режиме.

В ходе проведения лабораторных испытаний двигателя трактора переменными факторами, влияющими на снижение дымности ОГ дизеля, с помощью ЭФ были:

– величина высоковольтного напряжения, подаваемого на электроды и сажесборники ЭФ (U);

– время нахождения ОГ дизеля в активной зоне зарядки частиц ЭФ (t).

Время нахождения ОГ в активной зоне ЭФ находилось в рекомендуемых пределах [132, 279] и изменялось путем регулирования расхода газов через ЭФ путем отвода их части перед входом в фильтр. Результаты лабораторных исследований приведены в приложении Б3.

Для определения совокупного влияния величины высоковольтного напряжения питания ЭФ и времени зарядки сажевых частиц на степень снижения дымности ОГ дизеля трактора, а также величины общего тока потребления и эффективные показатели двигателя был проведен многофакторный эксперимент.

эксперименте были проведены предварительные исследования. Величина высоковольтного напряжения питания принималась из условия создания стабильного коронного разряда в активной зоне ЭФ, а время нахождения сажевых частиц по рекомендациям [132, 279] из условия полной их электрической зарядки.

Для реализации опытов был выбран симметричный, композиционный, ротатабельный трехуровневый план Бокса – Бенкина второго порядка [54].

Уровни и интервалы варьирования эксперимента представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Факторы и уровни варьирования эксперимента Уровень и интервал Функция, аппроксимирующая экспериментальные данные по изучению влияния перечисленных выше факторов на дымность ОГ и величину общего тока имеет вид:

где y – значение функции отклика;

b 0, b 1, b 2, b 3, b 4, b 5 – оценки коэффициентов модели;

х 1, х 2 – значение величины того или иного фактора.

Поскольку вид модели известен, то эксперимент проводился с целью производился методом наименьших квадратов [54]. После проведения всех обусловленной ошибками опытов. Только при соблюдении этого условия с экспериментальными данными можно проводить регрессионный анализ.

Более подробная методика обработки данных многофакторного эксперимента представлена в главе 3.2.3.2 данной работы. Обработка полученных данных производилась с помощью ПЭВМ IBM РС статистической программой (Statistika).

4.2.3 Результаты лабораторных исследований 4.2.3.1 Результаты исследований влияния установки в системе выпуска трактора электрофильтра на эффективные показатели работы двигателя и параметры отработавших газов дизельного ДВС трактора Т-25А при проведении опытов в лабораторных условиях и получения минимальных погрешностей при исследовании процесса очистки ОГ трактора создавались условия максимально приближенных к эксплуатационным. По результатам проведенных исследований и обработки опытных данных получены графические зависимости (рисунки 4.14, 4.15 и 4.16), определяющие основные показатели работы двигателя трактора со штатной и модернизированной системой выпуска.

Рисунок 4.14 – Графическая зависимость эффективных показателей дизельного двигателя трактора, оснащенного штатной системой выпуска от Рисунок 4.15 – Графическая зависимость эффективных показателей дизельного двигателя трактора, оснащенного ЭФ от частоты вращения Рисунок 4.16 – Графическая зависимость параметров ОГ дизельного двигателя трактора, оснащенного ЭФ от частоты вращения коленчатого вала Проанализировав обе графических зависимости можно сделать вывод о том, что внедрение в систему выпуска двигателя трактора не существенно отразится на его мощностные и топливно-экономические показатели. Так снижение мощности двигателя трактора, оснащенного модернизированной системой выпуска при снятии внешней скоростной характеристики в среднем составило – 1,4%, крутящего момента – 1,2%, увеличение удельного расхода топлива – 1,5%. Снижение эффективных показателей работы двигателя трактора объясняется увеличенной площадью поперечного сечения активной зоны ЭФ, приводящей к увеличению его газодинамического сопротивления, которое определяется величиной поверхностного трения ОГ об элементы фильтра.

В ходе проведения опытов фиксировались параметры ОГ дизеля трактора: перепад давлений газов в активной зоне ЭФ, степень снижения температуры газов в устройстве. Согласно полученным данным (приложение Б3) была построена графическая зависимость, позволяющая оценить степень изменения каждого параметра ОГ в отдельности, в условиях снятия внешней скоростной характеристики двигателя.

Температура и давление ОГ на входе и выходе из ЭФ определяются следующими уравнениями соответственно:

Твх. = 445,5549 - 0,2651·n + 6,7625·10–5 ·n2;

Твых. = 327,0631 - 0,1931·n + 5,3571·10 –5·n2;

Рвх. = 367,2571 - 0,3832·n + 0,0001·n;

Рвых. = 194,4 - 0,2241·n + 8,2143·10–5·n2.

Увеличение температуры ОГ по мере роста нагрузки на двигатель трактора объясняется увеличением количества топлива, подаваемого корректором топливного насоса, что в итоге приводит к возрастанию расхода ОГ трактора. При этом относительного роста перепада давлений в активной зоне ЭФ в зависимости от частоты вращения коленчатого вала практически не наблюдается.

В результате статистической обработки экспериментальных данных были получены математические модели зависимости исследуемых параметров ОГ двигателя трактора от частоты вращения коленчатого вала дизеля.

высоковольтного напряжения питания электрического фильтра и времени нахождения сажевых частиц в его активной зоне на дымность отработавших газов трактора на основе планирования Для установления совокупного влияния величины высоковольтного напряжения питания ЭФ и времени нахождения сажевых частиц в его активной зоне на дымность ОГ трактора и величину общего тока потребления ЭФ был проведен двухфакторный эксперимент. План проведения экспериментальных исследований представлен в приложении Б3.

На первом этапе проведения лабораторных исследований в процессе снятия характеристики двигателя трактора на режиме свободного ускорения зависимым фактором являлась величина высоковольтного напряжения питания, определяющая изменение дымности ОГ. Выбор одного зависимого фактора на данном режиме объясняется нестабильностью процесса зарядки сажевых частиц ввиду большой скорости изменения расхода ОГ, проходящих через ЭФ.

В результате статистической обработки экспериментальных данных были получена математическая модель, определяющая зависимость дымности ОГ от величины высоковольтного напряжения питания ЭФ:

По результатам моделей были построены графические зависимости, позволяющие наглядно оценить степень снижения дымности трактора, оснащеного системой очистки ОГ.

Данные (рисунок 4.17) показывают, что наблюдается заметное снижение дымности ОГ двигателя трактора по мере уменьшения напряжения питания электродов фильтра. Это обусловлено эффективностью протекания процессов значительная доля сажевых частиц будет успевать перезаряжаться и приобретать противоположный потенциал поля, способствующих к их отталкиванию от поверхности сажесборников, а значит увеличению дымности ОГ [132, 279].

Рисунок 4.17 – Графические зависимости дымности ОГ трактора со штатной и Примечание:

С* – предельно–допустимое значение дымности ОГ дизелей с расходом воздуха 42дм3/с на режиме свободного ускорения в условиях ограниченного воздухообмена по ГОСТ 17.2.2.02 «Атмосфера. Нормы и методы самоходных сельскохозяйственных машин»

С шт – значение дымности ОГ трактора, оснащенного штатной системой выпуска, %, С мод – значение дымности ОГ трактора с модернизированной системой выпуска, %.

Степень снижение дымности ОГ, как показали исследования, изменялось от 15% при напряжении питания 25 кВ, до 40% при напряжении 15кВ.

Установка в системе выпуска дизеля трактора ЭФ позволит обеспечить требования ГОСТ по эксплуатации мобильных энергетических средств в помещениях.

На втором этапе проведения исследований в процессе снятия внешней скоростной характеристики дизельного двигателя трактора приняты изменяющие факторы величина высоковольтного напряжения питания ЭФ и время нахождения сажевых частиц в зоне зарядки, а параметрами оптимизации – дымность ОГ (С) и величина общего тока потребления ЭФ (J).

Замер дымности ОГ трактора проводился в точках, соответствующим режимам номинальной мощности и максимального крутящего момента дизеля трактора. Эти режимы работы дизельного двигателя определяют максимальную дымность его ОГ и позволяют обозначить пиковые ее значения (приложения Б3). В результате статистической обработки экспериментальных данных были получены математические модели зависимости исследуемых параметров оптимизации С. и J. Графические изображения полученных моделей представлены на рисунке 4.19.

Из графических зависимостей на рисунке 4.18, видно, что с уменьшением величины высоковольтного напряжения питания ЭФ и увеличения времени зарядки сажевых частиц происходит снижения дымности выхлопа трактора.

Максимальная степень очистки ОГ дизельного двигателя от сажи составляет около 45 % при работе на режиме максимального крутящего момента и значениях напряжения U=15 кВ, а времени зарядки t=0,3 с. В режиме работы дизеля на максимальной мощности степень снижения дымности его выхлопа составляет 40 % при вышеуказанных значения переменных факторов.

По мере роста напряжения питания и уменьшения времени зарядки частиц сажи, степень снижения дымности ОГ трактора уменьшается и составляет около 35 % при напряжении U=20 кВ, и 30% при U=25 кВ.

Уменьшение дымности дизельного выхлопа с возрастанием времени зарядки сажевых частиц связано получением максимального электрического заряда, способствующего их эффективному осаждению и удерживанию на поверхности сажесборников фильтра [132, 279]. Так при напряжении в 15 кВ.

степень снижения дымности выхлопа трактора изменятся от 35 % при t=0,1 с до 45 % при t=0,3 с на режиме максимального крутящего момента двигателя. На режиме максимальной мощности работы двигателя трактора данное изменение дымности ОГ составляет 34–42 % соответственно.

С н = 30,6311+0,4217U - 31,7667t + 0,0011U2 - 0,25 U t + 52,3333 t C м = 46,7289-0,2423 U - 55,2 t + 0,0143 U + 0,665 U t + 52,6667 t Рисунок 4.18 – Графическая зависимость дымности (С) от величины высоковольтного напряжения (U) и времени зарядки сажевых частиц (t) при режиме максимальной мощности двигателя (а) и режиме максимального крутящего момента двигателя (б) Для определения энергетических затрат при эксплуатации трактора с модернизированной системой выпуска необходимо исследовать степень влияния указанных выше факторов на величину общего тока потребления ЭФ.

Это позволит оценить возможность питания ЭФ от штатной системы электрооборудования трактора без нарушения общего энергетического баланса.

Графические изображения, полученные по результатам данных исследований, представлены на рисунке 4.19.

Модель зависимости общего тока потребления электрофильтром и от величины выковольтного напряжения (U) и времени зарядки сажевых частиц (t) при режиме максимальной мощности двигателя имеет вид:

J = 14,3789 - 1,5007U - 1,0667 t + 0,0497 U2 + 0,215 U t - 5,3333 t2.

На режиме максимального крутящего момента:

J = 14,9922 - 1,5527 U - 2,8167 t + 0,0525 U2 + 0,015 U t +6,1667 t2.

Анализ графических зависимостей (рисунки 4.18 и 4.19) показал, что с увеличением величины высоковольтного напряжения питания ЭФ происходит заметное увеличение величины общего тока потребления фильтром, которая достигает порядка 10А при напряжении питания в 25 кВ. Время зарядки сажевых частиц практически не оказывает влияние на изменение тока потребления фильтром. По мере уменьшения высоковольтного напряжения происходит резкий скачок величины тока в сторону уменьшения, которая достигает 4 А при напряжении 15 кВ.

зависимости с вероятностью 99,0 %.

Результаты статической обработки экспериментов приведены в приложениях (В6, В7, В8, В9, В10).

Рисунок 4.19 – Графическая зависимость общего тока потребления условиях снятия внешней скоростной характеристики на эффективности работы электрофильтра по очистке дизельного выхлопа 4.3.1 Программа и методика проверки Для оценки работоспособности разработанной системы очистки ОГ дизельного двигателя и получения сравнительных результатов состояния воздушной среды теплиц и безотказности в работе устройства, при выполнении механизированных работ с использованием трактора, оснащенным модернизированной системой выпуска ОГ были проведены производственные испытания. В соответствии с поставленной целью сформированы задачи экспериментальных исследований:

токсичными веществами до и после выполнения механизированных работ с использованием трактора, оснащенным системой очистки ОГ двигателя;

– оценить надежность работы устройства по очистке ОГ дизеля трактора в период выполнения работ;

– установить динамику роста токсичных веществ в атмосфере теплицы и определить степень снижения их концентрации по сравнению со штатной системой выпуска трактора.

Параметры и динамика изменения воздушной среды теплицы при работе двигателя трактора со штатной системой выпуска ОГ представлены во технологические параметры работы ЭФ по очистке дизельного выхлопа были определены в вышеуказанных разделах настоящей работы.

Производственная проверка работы системы очистки ОГ производилась в «Солнечный» и в ООО «Автодорстрой» Рязанского района Рязанской области.

В период производственной проверки на один из тракторов универсального типа семейства Т-25А была установлена система очистки ОГ, состоящая из опытного образца ЭФ с блоком высоковольтного питания.

Производственный машинно – тракторный агрегат в составе трактора Т-25А с навесным технологическим оборудованием для удаления почвы и растительных остатков, оснащенный системой очистки ОГ, представлен на рисунке 4.20.

1 – тумблер включения; 2 – провод питающий; 3 – штатный глушитель трактора; 4 – кронштейн крепления ЭФ; 5 – опытный образец ЭФ; 6 – провод высоковольтный; 7 – блок высоковольтного питания; 8 – опытный МТА;

9 – лампа сигнализации включения системы очистки ОГ Рисунок 4.20 – Производственный МТА на базе трактора Т-25А В производственном процессе комбината тракторы данного семейства используются на транспортных, погрузочных и уборочных операциях в течение 9-ти месяцев годового объема механизированных работ. При этом тракторы оснащены либо универсальными тракторными подъемниками ПУТ-0.7 для перевозки поддонов и ящиков с товарной продукцией к потребителю, либо навесным технологическим оборудованием для проведения работ по уборке помещений теплиц.

В ОАО Рязанский Тепличный комбинат «Солнечный» каждый трактор выполняет весь перечень механизированных работ в 3-х теплицах общей площадью 3 га, где работает 30 рабочих. Доля механизированных работ с использованием мобильных энергетических средств в помещении каждой теплицы блока составляет около 2 часов за рабочую смену.

В ходе проведения производственных испытаний двигатель трактора работал в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов.

Токсичность его выхлопа менялась от максимальной при работе дизеля на режимах ускорения и номинальной мощности до минимальной при работе двигателя на холостом ходу. Анализ состояния воздушной среды теплицы проводился согласно методики, представленной во 2-ом разделе данной работы. Результаты измерений производственных испытаний приведены в приложение Г.

4.3.2 Результаты производственной проверки эффективности работы системы очистки При проведении производственной проверки механизированные работы с использованием МТА Т-25А велись в помещении теплицы около 2 часов. Во время проведения работ помещение теплицы не вентилировалось, а трактор выполнял перечень основных операций по выталкиванию растительных остатков из помещения теплицы.

Для оценки эффективности разработанной системы очистки ОГ дизельного двигателя были взяты пробы воздушной среды теплицы на содержание в ней ТВ дизельного выхлопа.

Результаты замеров концентрации исследуемых токсичных веществ сравнивались с аналогичными показателями воздушной среды теплицы при работе трактора со штатной системой выпуска ОГ. Для наглядности степени изменения содержания исследуемых токсичных веществ в атмосфере теплицы по результатам полученных данных были построены зависимости роста их концентраций, представленные на рисунке 4.21.

–––– - штатная система выпуска двигателя трактора;

– – – - модернизированная система выпуска двигателя;

«» - сажа; «» - бенз(а)пирен; «» - углеводороды Рисунок 4.22 – Динамика изменения концентраций токсичных веществ в атмосфере теплицы при выполнении механизированных Анализ данных производственной проверки разработанной системы очистки ОГ дизельного ДВС показал что наблюдается значительное снижение содержания токсичных веществ в атмосфере теплицы после выполнения МТА механизированных работ. Так, концентрация ТВ в атмосфере теплицы снизилась по саже на 22,4, бенз(а) пирену на 18, а сумме углеводородов на 14%.

Таким образом, предложенный и реализованный способ снижения токсичности и дымности ОГ путем установки в систему выпуска дизельного ДВС ЭФ показал работоспособность и позволяет значительно снизить содержание основных токсичных веществ в ОГ дизеля МЭС Выводы по главе На основании проведенных лабораторных исследований процесса очистки отработавших газов трактора с модернизированной системой выпуска можно сделать следующие выводы:

механизированных работ в тепличных блоках ОАО Рязанский Тепличный комбинат «Солнечный» значительно возрастают концентрации токсичных веществ, содержащихся в отработавших газах дизельного двигателя трактора.

Они через 2 часа после начала работы трактора в помещении теплицы при неработающей естественной вентиляции превышают предельно-допустимые концентрации по саже в 12,5, бен(а)пирену в 8,93, а сумме углеводородов в 6, раз, что затрудняет работу персона и использование использование трактора внутри теплиц особенно в осенне-зимний период. При работающей естественной вентиляции после двух часов работы трактора концентрация токсичных веществ достигнет предельного допустимых значений по саже и бенз(а)пирену через 6, а сумме углеводородов через 7 часов.

2. Разработана конструктивно – технологическая схема устройства для снижения дымности дизельного двигателя трактора, которая должна содержать устанавливаемый в систему выпуска двигателя электрофильтр, включающий в себя зону зарядки, состоящую из коронирующих и некоронирующих электродов и зону осаждения частиц, образованную большим и малым сажесборником, блок питания фильтра высоковольтным напряжением, с элементами контроля и коммутации его работы.

3. Теоретически доказано, что процесс улавливания частиц сажи в электрическом фильтре определяется режимом горения коронного разряда и зависит от времени зарядки частиц сажи, величины напряженности электрического поля, а также скорости ОГ в активных зонах фильтра. В связи с этим необходимо снизить скорость ОГ в зоне зарядки путем увеличения площади поперечного сечения активной зоны фильтра, что позволит увеличить время пребывания сажевых частиц в межэлектродном промежутке фильтра.

4. В ходе проведения лабораторных исследований выявлено, что при работе дизельного двигателя на номинальных скоростных и нагрузочных режимах с ЭФ в системе выпуска трактора снижение температуры ОГ в среднем составило 50°, а газодинамическое сопротивление выхлопу дизеля – в пределах 5кПа. При этом изменение основных показателей дизельного двигателя составило:

– эффективная мощность двигателя снизилась на 1,4%;

– максимальный крутящий момент снизился на 1,2%;

– удельный расход топлива увеличился на 1,5%.

5. Лабораторными исследованиями установлено, что степень снижение дымности ОГ изменяется от 15% при напряжении питания 25 кВ, до 40% при напряжении 15кВ в режимах свободного ускорения двигателя трактора. Максимальная степень очистки выхлопа двигателя от сажи составляет около 45% при работе дизеля на режиме максимального крутящего момента и значениях напряжения 15кВ, при времени зарядки сажевых частиц – 0.3с, а величина общего тока потребления составляет около 4А.

6. Производственная проверка работоспособности и эффективности внедряемой системы очистки дизельного двигателя Д-21А трактора Т-25А показала, что предложенный способ и разработанная система очистки ОГ дизеля трактора работоспособна и позволяет значительно снизить концентрации токсичных веществ в воздушной среде помещения теплицы по сравнению со штатной системой выпуска трактора по сумме углеводородов на 14, бенз(а)пирену на 18, а саже на 22,4%;

отработавших газов дизельного двигателя внутреннего сгорания 5.1 Теория процесса влажной очистки отработавших газов дизельного двигателя Д-120 в жидкостном нейтрализаторе 5.1.1 Конструктивно-технологическая схема устройства для влажной очистки отработавших газов дизельных двигателей внутреннего сгорания Проведенный анализ существующих конструкций устройств для влажной очистки ОГ ДВС выявил ряд недостатков, оказывающих существенное влияние как на эффективность очистки ОГ, так и на возможность их применения в целом [22, 33, 72]. Наиболее существенные из них:

– большие габариты и масса устройств;

– необходимость частой смены рабочего раствора или воды;

– резкое снижение эффективности нейтрализации при работе двигателя на режимах, близких к номинальным;

– большое гидравлическое сопротивление.

С целью устранения этих недостатков нами были разработаны конструкции устройств [200, 202, 216, 217, 218, 287, 288] для очистки ОГ дизельных ДВС, схема одного из которых представлена на рисунке 5.1.

Функциональная схема работы жидкостного нейтрализатора (ЖН) приведена на рисунке 5.2.

Электронный блок управления (ЭБУ) ЖН 19 предназначен для управления подачей нейтрализующего раствора в аэрозольную камеру 5, посредством форсунок 7. ЭБУ 19 подключается к бортовой сети транспортного средства номиналом 12В постоянного тока. Имеет разъемы для подключения датчика положения коленчатого вала (ДПКВ) двигателя 1, датчика положения регулятора 6, блока-измерителя температуры, четырех форсунок 7 и источника питания 16.

1- датчик положения коленчатого вала; 2,17 – времязадающие цепи;

3- металлические трубки для подачи нейтрализующего раствора;

4 – выхлопной коллектор; 5 – аэрозольная камера; 6 - датчик положения регулятора; 7 – форсунки; 8 – бак с нейтрализующим раствором;

9 – жидкостной насос; 10 – эжектор; 11- центробежный каплеуловитель;

12 – ЖН; 13 – блок ключей; 14 – резисторная сборка; 15 – ключ;

16 – источник тока; 18 – интегральный блок таймер; 19 – ЭБУ; 20 – впускной патрубок аэрозольной камеры; 21, 24 – конический завихритель;

22 – выпускной патрубок аэрозольной камеры; 23 – впускной патрубок центробежного каплеуловителя; 25 – выпускной патрубок центробежного каплеуловителя; 26 – труба отвода жидкости Рисунок 5.1 – Схема устройства для очистки ОГ дизельных двигателей Рисунок 5.2 – Функциональная схема работы жидкостного нейтрализатора Один из основных элементов электронного блока управления является интегральная микросхема-таймер серии «NE555». Она генерирует электрический сигнал заданной длительности. Микросхема серии «NE555»

монолитная таймерная интегральная, представляет собой высокостабильный контроллер, способный вырабатывать точные временные задержки или периодические колебательные сигналы. В случае, когда интегральная схема работает в режиме формирования задержек, их длительность точно задается при помощи одного внешнего резистора и одного конденсатора. При работе в качестве генератора периодических колебаний частота скважность сигнала точно задаются одним внешним конденсатором и двумя внешними резисторами.

Для осуществления рабочего процесса электронного блока управления к микросхеме подключены две время задающие цепи 2, 17. Первая из которых, содержит внешние конденсаторы постоянной емкости типа К73-9 и резистор. Данная цепь жестко задает время нахождения форсунки в открытом состоянии, т.е. время впрыска аэрозоля. Номиналы элементов подобраны таким образом, чтобы длительность электрического сигнала равнялось 15 мс. Вторая времязадающая цепь, содержит внешние один конденсатор и два резистора. Она задает время нахождения форсунки в закрытом состоянии, т.е. определяет частоту впрыска аэрозоли для тестового режима. Эта характеристика задана жестко с использованием постоянных сопротивлений. Время простоя будет равно 20 мс. Если вместо постоянных сопротивлений установить в схему переменное сопротивление, появляется возможность плавно регулировать частоту впрыска аэрозоли, подстраивая её под режимы работы двигателя. Для этого в цепь включены датчики положения коленчатого вала и рычага всережимного регулятора топливного насоса, что позволяет задавать частоту впрыска аэрозоли в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и положения рычага всережимного регулятора топливного насоса в текущий момент. Так же схема содержит микросхему STA 471A, представляющую собой блок ключей. При подаче входного сигнала от микросхемы «NE555» блок ключей замыкает свой выход на корпус, обеспечивая тем самым подачу напряжения к форсункам.

Входы ключей объединены вместе, таким образом, что при подаче входного сигнала все форсунки открываются одновременно. Светодиодный индикатор загорается в момент открытия форсунок, отображая интенсивность впрыска.

конденсатора и двух сопротивлений и определяется по формуле (5.1):

где R 1 и R 2 – внешние сопротивления времязадающей цепи, кОм;

С – емкость внешнего конденсатора времязадающей цепи, пФ.

Промежуток времени между началом каждого следующего импульса называется периодом (T). Он складывается из длительности самого импульса и промежутком между импульсами.

где T 1,T 2 – соответственно продолжительность и промежутка между Датчик положения коленчатого вала 1 (рисунок 5.1.) индуктивного типа предназначен для синхронизации работы ЭБУ с верхней мертвой точкой поршней 1 и 4 цилиндров двигателя и угловым положением коленчатого вала. Задающий диск датчика представляет собой зубчатое колесо установленными на его венце метками для создания импульса синхронизации, необходимого для согласования работы ЭБУ с режимом работы двигателя.

Устройство для очистки двигателя работает следующим образом. ОГ из выхлопного коллектора 4 дизельного ДВС поступают во впускной патрубок аэрозольной камеры 20 жидкостного нейтрализатора. Проходя через конический завихритель 21 поток ОГ приобретает направленное вращательное движение, что приводит к выравниванию значений локальных скоростей потока ОГ и снижению показателей неравномерности распределения скоростей потока. Это очень важно для осуществления процесса очистки ОГ.

Затем вихревой поток обрабатывается водяной аэрозолью, поступающей из форсунок 7, которые установлены радиально в корпусе аэрозольной камеры 5. Форсунка 7 – это электромагнитный клапан, при подаче на него напряжения пропускающий нейтрализующий раствор и запирающийся под действием возвратной пружины при снятии напряжения. Впрыск аэрозоли осуществляется с частотой работы двигателя и регулируется электронным блоком управления 19. Одновременный впрыск эмульсии по меньшей мере тремя форсунками 7 придает дополнительный вращательный импульс движущемуся потоку. Процессы улавливания, химического связывания и нейтрализации токсичных компонентов и сажевых частиц, содержащихся в ОГ, происходит при непосредственном контакте между обрабатываемыми ОГ и мельчайшими каплями нейтрализующего раствора, разбрызгиваемого форсунками 7 аэрозольной камеры 5. От чего достигается развитая поверхность их контакта, позволяющая осуществить заданное изменение состояния ОГ в ограниченном объеме аэрозольной камеры 5, в течении малого промежутка времени. Процесс осаждения сажевых частиц и ВВ на каплях жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высокой скоростью движения частиц жидкости и сажи в корпусе и выпускном патрубке аэрозольной камеры, имеющего форму конфузора.

Эффективность осаждения в значительной степени зависит так же и от равномерности распределения жидкости, подаваемой форсунками 7, по сечению аэрозольной камеры 5. Через выпускной патрубок 22 ОГ выводятся из корпуса 5 аэрозольной камеры и, далее пройдя через эжектор 10, смешиваются с атмосферным воздухом, поступают во впускной патрубок центробежного каплеуловителя 11. Затем двухфазный газожидкостный поток, проходя через конический завихритель 24, приобретает направленное вращательное движение, от чего жидкая фаза и уловленные ею посторонние не газообразные примеси под действием центробежных сил сепарируются на внутренней стенке корпуса центробежного каплеуловителя 11, а пар и очищенный газ поступают в выпускной патрубок 25. Жидкая фаза, в виде тонкой пристеночной пленки, продвигаясь по корпусу центробежного каплеуловителя 11, попадает в полость между выпускным патрубком 25 и корпусом 11 и удаляется наружу через трубу для отвода жидкости 26.

Очищенная газовая фаза выводится через выпускной патрубок 25 в атмосферу.

Таким образом, центробежный каплеуловитель способствует не только удалению из потока задержанных раствором ВВ, но и уменьшению количества уносимой в атмосферу влаги в целом.

Электронный блок управления 19 функционирует следующим образом.

При подаче питающего напряжения на вход ЭБУ 19, интегральный блок таймер 18 начинает генерировать электрический сигнал заданной длительности, зависящей от номинала элементов времязадающих цепей 2, внешних резисторов и конденсаторов. Соответственно одна из времязадающих цепей - 2 задает длительность импульса, определяющего время нахождения форсунок 7 в открытом состоянии, а другая 17 задает длительность импульса, определяющего время нахождения форсунок 7 в закрытом состоянии. Цепь 17 включается в работу только в случае отсутствия или неисправности электромагнитного датчика положения коленчатого вала 1 двигателя, подключаемого к электронному блоку управления 19 и установленному на корпусе двигателя. Блок таймер 18 ЭБУ 19 вырабатывает сигналы на основании опорных импульсов, получаемых от датчика положения коленчатого вала 1. Они образуются при прохождении метки, закрепленной на венце маховика коленчатого вала, на некотором расстоянии от датчика 1. Опорный импульс поступает на входной компаратор блока таймера 18, после чего, интегральная микросхема-таймера, генерирует периодический импульс. Он пройдя через резисторную сборку 14, поступает на вход микросхемы блока ключей 13. Блок ключей 13, при поступлении сигнала, замыкает свои выходы на корпус и открывает прохождение тока от источника питания 16, питающему обмотки электромагнитов форсунок 7. После завершения прохождения сигнала, блок ключей 13 размыкает свой выход с корпусом и прекращает питание обмоток форсунок 7, до поступления следующего импульса. Одновременно, с подачей питающего напряжения на электронный блок управления 19, осуществляется подача питающего напряжения на электрический погрузной роторный жидкостной насос 9, установленный в бачке с нейтрализующим раствором 8.

Жидкостной насос 9, соединен с форсунками 7 маслобензостойкими нейтрализующего раствора к форсункам 7 и соответственно во внутреннюю полость аэрозольной камеры 5. Нейтрализующий раствор должен подаваться в аэрозольную камеру в мелкораспыленном виде, с далеко проникающей способностью полета мельчайших капель в потоке ОГ, для этого его необходимо подавать под давлением, не менее 300 кПа.

Для компенсации недостаточной степени очистки ОГ, при работе двигателя в режиме повышенной нагрузки, времязадающая цепь 2, содержит потенциометрический датчик положения регулятора 6 топливного насоса.

Ползунок датчика 6, жестко связанный с основным рычагом регулятора (на схеме не показан). При его перемещении, в случае возникновения перегрузки, изменяется сопротивление датчика 6 и всей времязадающей цепи 2. Поэтому блок таймер 18 увеличивает время нахождения форсунки 7 в открытом состоянии и как следствие увеличивает количество поступающего в единицу времени нейтрализующего раствора [216].

Для улучшения показателей очистки ОГ на режимах номинальной и повышенной нагрузки, времязадающая цепь 17 (рисунок 5.2, содержит блокизмеритель температуры ОГ 13, установленный в корпусе выпускного патрубка 12 центробежного каплеуловителя 10. Блок-измеритель температуры ОГ 13, связан со входом времязадающей цепи 17 посредством операционного усилителя 16 и блока-формирователя тока заряда 14. При изменении температуры, проходящих через выпускной патрубок 12 и контактирующих с блоком-измерителем температуры 13, очищенных ОГ.

Это может являться следствием несоответствия количества нейтрализующего раствора, подающегося в аэрозольную камеру 5, количеству ОГ, блокизмеритель температуры 13 изменяет напряжение на своих выводах.

Операционный усилитель 16 повышает сигнал от блока-измерителя температуры 13, и при помощи блока-формирователя тока заряда преобразуется в ток, который подается на вход времязадающей цепи 17. В зависимости от величины тока, протекающего во времязадающей цепи 17, блок таймер 3 изменяет время нахождения форсунок 7 в открытом состоянии, что изменяет количество поступающего в единицу времени нейтрализующего раствора. Таким образом, за счет появления в системе обратной связи по температуре происходит автоматическое регулирование режима работы устройства [217].

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на возникновении электродвижущей силы в цепи, составленной из разнородных проводников, при нарушении теплового баланса, вызванного неравенством температур в местах соединения проводников. Возникновение термо-э.д.с.

объясняется перемещением электронов из одного проводника в другой и выравниванием их внутренних потенциалов [288].

Основным элементом блока-измерителя температуры ОГ 13 является микросхема-термодатчик с линейной зависимостью выходного напряжения от температуры типа К1019ЕМ1.

дифференциальным сопротивлением и со стабильным и нормированным плюсовым температурным коэффициентом напряжения (ТКН).

Работа термодатчика К1019ЕМ1 основана на зависимости от температуры разности значений напряжения на эмиттерном переходе U бэ двух транзисторов с разной плотностью эмиттерного тока. С целью повышения точности измерения температуры в микросхеме предусмотрена цепь калибровки.

Во впускном патрубке каплеуловителя 10, имеющего форму диффузора происходит рост давления и снижение скорости потока, что способствует коагуляции мелких частиц.

В данном варианте конструкции (рисунок 5.3) из состава устройства для очистки ОГ исключается эжекторное устройство, так как атмосферный воздух, подсасываемый им и перемешивающийся с ОГ, резко снижает информативность и как следствие эффективность работы блока измерителя температуры, за счет дополнительного снижения их температуры.

Следует отметить, что одним из наиболее важных свойств аэрозолей в целом и сажи в частности, является непрерывная и самопроизвольная коагуляция их частиц. Частицы вещества при соприкосновении сливаются или слипаются, аэрозоль становится более грубой. Соприкосновения, возникающие в результате движения частиц, приводят к их соединению друг с другом и уменьшению, таким образом, общего числа индивидуальных частичек.

1- датчик положения коленчатого вала; 2,17 – времязадающие цепи; 3 – блоктаймер; 4 – выхлопной коллектор; 5 – аэрозольная камера; 6 – шланги для подачи раствора; 7 – форсунки; 8 – бак с нейтрализующим раствором;

9 – жидкостной насос; 10 – центробежный каплеуловитель; 11 – ЖН;

12 – выпускной патрубок; блок-измеритель температуры;

14 – формирователь тока заряда; 15 – ЭБУ, 16 – операционный усилитель;

18 – ключ; 19 – источник тока Рисунок 5.3 – Схема устройства для очистки ОГ дизельных ДВС с Атомы углерода, находящиеся на краях кристаллических решеток, имеют свободные валентности, по которым к ним присоединяются атомы отдельных плоских решеток углерода или целые цепочки атомов. Известно, что сажевые частицы, благодаря своему строению и значительной удельной поверхности, поглощают из потока ОГ и адсорбируют на своей поверхности некоторые ВВ. Например, такие как канцерогенный полициклический углеводород бенз--пирен, образующийся параллельно с образованием сажей, в камере сгорания в процессе пиролиза топлива, а так же дебинз-j-пирен, дебинзh)-атрэнцен, циклопентено-(с,d)-пирен, хризен, бенз-()-атранцен, анирактрен и другие [66].

Таким образом, сажевые частицы способны уносить на своей поверхности некоторое количество вредных компонентов из ОГ двигателя.

Удаляя из потока ОГ сажевые частицы, с адсорбцироваными на них вредных компонентов ОГ, мы получаем дополнительную возможность снижать количество вредных компонентов поступающих в окружающую среду при работе дизельных ДВС.

Увеличить долю адсорбции вредных компонентов ОГ на поверхности сажевых частиц возможно несколькими способами. Например, создавая условия для управляемой турбулизации потока с помощью специальных устройств – завихрителей. Закрученный поток создает интенсивный турбулентный обмен, и наличие зон рециркуляции, способствующие стабилизации химических процессов и интенсивному массообмену между веществами [66]. Двигаясь в закрученном потоке частицы сажи будут:

- во-первых, чаще соприкасаться друг с другом, что приведет к их коагуляции и объединению в более крупные конгломераты;

- во-вторых, частицы смогут адсорбировать на своей поверхности большее количество молекул ВВ из потока ОГ. Коагуляция положительно сказывается и на процессах улавливания сажи. Из-за высокой степени дисперсности дизельной сажи и сравнительно низкой концентрации её в ОГ, на некоторых режимах работы двигателя, эффективность применения таких распространенных и хорошо зарекомендовавших себя в промышленности устройств, как например мультициклоны, не превышает 60%, и, это при значительном увеличении противодавления на выпуске [338]. Следует отметить, что аппараты для сухой очистки газов, в основу работы которых положен эффект от воздействия на взвешенную частицу сил инерции, гравитационных или центробежных сил, просты в конструктивном исполнении, недороги в производстве и обслуживании. Они не требуют дополнительных устройств для осуществления рабочего процесса, в отличии от так же хорошо зарекомендовавших себя в области очистки газов ЭФ.

Исследования показывают, что увеличить адсорбцию вредных компонентов сажевыми частицами, возможно, с использованием химических веществ. В частности, азотная кислота физически адсорбируется на саже и адсорбция её возрастает при увеличении количества участвующей в реакции воды [157]. Таким образом, ядовитые оксиды азота, вступив в химическую реакцию с молекулами воды и превратившись в новое вещество – азотную кислоту, более интенсивно физически адсорбируются на поверхностях сажевых частиц. Причем часть молекул азотной кислоты может вступать с ними в химические реакции.

Из выше сказанного следует, что некоторые физические процессы, происходящие в аппаратах для сухой очистки ОГ, при их совместном течении с химическими процессами, имеющими место при влажной очистке ОГ, могут повысить качество очистки, за счет оптимального использования свойств веществ, участвующих в процессе [220].

5.1.2 Определение газодинамического сопротивления жидкостного нейтрализатора Установленный на выпускном коллекторе дизельного ДВС трактора ЖН оказывает газодинамическое сопротивление ОГ, изменяющееся на разных режимах работы двигателя. Так при работе двигателя в режиме максимальной мощности, газодинамическое сопротивление достигает наибольшего значения, ввиду максимального расхода ОГ, проходящих через нейтрализатор, а при работе на холостом ходу – наименьшего [270]. Зная зависимость изменения данного параметра на различных нагрузочных и скоростных режимах работы дизельного ДВС трактора, можно оценить уровень снижения мощностных и экономических показателей работы двигателя. Газодинамическое сопротивление не должно существенно отражаться на его тягово-скоростных характеристиках трактора, определяющих выполнение МЭС основных технологических операций в помещениях. Кроме того, повышение противодавления на выпуске, ухудшает течение процесс горения и приводит к резкому увеличению содержания сажевых аэрозолей в ОГ [270].

Потери напора по длине h дл вычисляются по формуле [35]:

где – коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси);

к – корректив кинетической энергии потерь (коэффициент Кориолиса);

l – длина участка потока между рассматриваемыми сечениями, м;

V – скорость потока, м/с;

R – гидравлический радиус, м.

Для элементов круглого сечения формулу (5.4) удобнее представлять в следующем виде [35]:

где d – диаметр трубы.

определяется по формуле Пуазейля [35]:

При турбулентном режиме движения жидкости, коэффициент Дарси рекомендуется определять по формуле где Re – число Рейнольдса, определяется по формуле где – кинематическая вязкость газа, м2/с;

– коэффициент вязкости газа.

Кинематическая вязкость смеси газов находится по формуле Манна [35] где 1, 2,…, n – кинематическая вязкость компонентов;

u 1, u 2,…, u n – объемная доля компонентов смеси, %.

Потери напора в коническом диффузоре определяются по формуле где д – коэффициент потерь;

V 2 – средняя скорость потока ОГ за конфузором, м/с.

Коэффициент потерь можно определить как:

где k д – безразмерный коэффициент, выражающий долю потерь в диффузоре от потерь при внезапном расширении, 1 и 2 – площади сечения диффузора, м2.

Потери напора в коническом конфузоре определяется по формуле где кон – коэффициент потерь, зависящий от отношений диаметров Потери напора при внезапном расширении определяется по формуле где V 1 и V 2 – средние скорости в сечениях, выбранных соответственно до и Потеря напора при внезапном сужении определяется по формуле:

где вс – коэффициент потерь напора при внезапном сужении.

Аэрозольную камеру ЖН можно условно разделить на несколько участков: впускной и выпускной патрубки, конический диффузор; конфузор и камеру круглого сечения (рисунок 5.4). Центробежный каплеуловитель представим в виде соединенных последовательно: впускного патрубка, диффузора, полой сепарационной камеры круглого сечения и выпускного патрубка (рисунок 5.5).

Суммарное гидравлическое сопротивление какого либо элемента сети Для определения величины напора ОГ в сечениях ЖН запишем уравнение Бернулли [35]:

где z 1 и z 2 – удельные энергии положения, характеризующие потенциальную h - суммарные гидравлические потери в сухой аэрозольной камере;

и вых – удельные кинетические энергии в тех же сечениях.

Рисунок 5.4 – Схема для расчета суммарных гидравлических потерь в Суммарные гидравлические потери в аэрозольной камере можно выразить следующим образом:

Суммарные гидравлические потери в центробежном каплеуловителе выразятся следующим образом:

Суммарные гидравлические потери в аэрозольной камере при подаче в нее орошающей жидкости можно выразить определить выражением hж – гидравлическое сопротивление аэрозольной камеры при подаче в неё орошающей жидкости.

Рисунок 5.5 – Схема для расчета суммарных гидравлических потерь в жидкостью в аэрозольной камере рассчитывается по формуле:

где ж – коэффициент гидравлического сопротивления, обусловленный m ож – удельный расход орошающей жидкости, мг.

Величина коэффициента ж определяется из выражения где V ж – скорость капель жидкости на выходе из форсунок, м/с.

5.1.3 Определение расхода нейтрализующего раствора потребного для очистки отработавших газов в ЖН Ключевым фактором, влияющим на степень очистки ОГ в ЖН, является точное соответствие количества нейтрализующего раствора, подаваемого для орошения потока в единицу времени, количеству ОГ поступающих из цилиндров двигателя в аэрозольную камеру устройства.

При определении потребного расхода нейтрализующего раствора следует учитывать количество топлива, подаваемого в цилиндры дизельного двигателя. Так при работе в режиме повышенной нагрузки и перегрузки, при увеличивается количество топлива, что существенно влияет на токсичность ОГ [270].

произведем из ранее упоминавшегося условия прямой зависимости между количеством ОГ и объемом подаваемого нейтрализующего раствора.

Расход ОГ при работе дизельного двигателя на режиме номинальной мощности равен [270]:

Общее количество продуктов сгорания М 2 1 кг дизельного топлива будет [256]:

Расход топлива двигателем трактора составит:

Потребный расход нейтрализующего раствора составит:

где К – безразмерный коэффициент, отражающий пропорциональность, определяемый экспериментальным путем.

Утверждать о характере пропорциональности К р-ра коэффициента нейтрализующего раствора от степени очистки ОГ и количества топлива подаваемого в цилиндры.

Математические модели имеют вид:

Q р ра (см Из зависимостей видно, что члены высших порядков, в виду малых значений коэффициентов, не будут оказывать существенного влияния на модель и зависимость в первом приближении принять линейной. Это позволяет принять коэффициент К р-ра постоянным при расчетах.

входящие в формулу к размерности получим:

где q в – удельный расход топлива, г/кВт·ч.

С учетом формулы (5.30):

Таким образом, из полученных выражений следует, что количество нейтрализующего раствора, потребного для очистки 1 м3 ОГ, зависит от количества топлива подаваемого в цилиндры двигателя, состава топлива и условий сгорания смеси.

5.1.4 Определение параметров сепарации токсичных компонентов и сажевых частиц в центробежном каплеуловителе Поток ОГ в центробежном каплеуловителе, можно представить в виде многокомпонентного газа: собственно газа и «сажевого газа», состоящего из конгломератов сажевых частиц. Частицы сажи имеют диаметр d с и плотность кинетической теории газов, согласно работе [17], запишем вязкость «сажевого» газа:

где u – средняя скорость движения частицы массой m с, м/с.

Масса сажевой частицы m с равна [17]:

Численная концентрация сажевых частиц рассчитывается по формуле [17]:

Средняя длина свободного пробега сажевой частицы с учетом определяется из выражения [17]:

Эффективная площадь сажевой частицы [88]:

Вязкость двухкомпонентной смеси определяется следующим выражением [17]:

где с – объемная доля сажевого газа в двухфазной смеси;

г 1 с – объемная доля газа в двухфазной смеси.

закрученном двухфазном газо-сажевом потоке. Вязкость среды в осевом и тангенциальном направлениях равна вязкости чистого газа (рисунок 5.6), а для радиального направления – в котором происходит сепарация частиц сажи вязкость равна вязкости двухфазной газо-сажевой среды гс. Газ движется поступательно вдоль оси z 1 и вращаясь.

Профиль тангенциальной скорости газа U г в случае потенциального безвихревого движения подчиняется уравнению [17]:

где n – показатель степени.

Рисунок 5.6 – Силы, действующие на частицу в анизотропном по вязкости На частицу «сажевого газа» будут воздействовать следующие силы: