Analysis and development of the oil separator of the crank-case ventilation system of a highly-boosted diesel engine

Full Text

Введение В целях защиты окружающей среды от загрязнения продуктами сгорания во многих странах действуют как национальные, так и международные стандарты, ограничивающие предельно допустимое содержание вредных веществ в отработавших газах (ОГ) дизелей. Однако в процессе сгорания топлива в двигателе часть продуктов сгорания проникает через зазор между поршнем и цилиндром и попадает в картер двигателя, где смешивается с масляной аэрозолью, превращаясь в картерные газы. Во избежание возникновения в картер-ном пространстве значительного избыточного давления, отрицательно влияющего на герметичность уплотнений в двигателе, картерные газы эвакуируются в атмосферу. Обычно применяют открытые системы вентиляции картера, что наносит дополнительный (неучтенный) вред окружающей среде. В 1990-х выбросы вредных веществ с отработавшими газами дизелей были существенно уменьшены за счет использования каталитических нейтрализаторов ОГ и систем рециркуляции ОГ, совершенствования рабочего процесса, применения противосажевых фильтров, а уровень выброса картерных газов в дизельных двигателях остался относительно постоянным. Поэтому доля выбросов из картера стала более весомой и может составлять от 10 до 25 % всех выбросов из двигателя, в зависимости от его состояния и режима работы [1]. Экологические показатели дизельных двигателей регламентируются в Европе Правилами ООН с соответствующими поправками и дополнениями. В России дополнительно действуют различные технические регламенты и ГОСТы, требующие выполнение требований Правил российскими производителями дизелей. Подобные требования влияют на облик самих дизелей, требуют введения новых конструктивных элементов, реализующих тот или иной способ снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателей. Последнее касается и систем вентиляции картерных газов. В частности, ГОСТ Р 519982002 «Дизели автомобильных транспортных средств. Общие технические условия» [2] требует применения в конструкции дизельных двигателей закрытой системы вентиляции картера. Контакт внутрицилиндровых высокотемпературных газов с маслом, в связи с их прорывом в картерную часть, вызывает образование токсичных веществ. Поэтому открытые системы вентиляции картера отходят в прошлое. Требуется разработка так называемых замкнутых (закрытых) систем. Цель исследования Целью исследования является разработка маслоотделителя системы вентиляции картера высокофорсированного автомобильного дизеля. Основные процессы в системе вентиляции картера Система вентиляции картера и картерное пространство в двигателе взаимосвязаны. В картерном пространстве картерные газы (КГ) собираются и в виду имеющихся процессов неизбежно смешиваются с маслом. Выход из картерного пространства является входом в систему вентиляции картера. Картерное пространство - объем пространства внутри двигателя, ограниченный внутренними поверхностями деталей двигателя. Правильно сформированное и организованное картерное пространство значительно снижает нагружен-ность системы вентиляции картера. Система может представлять собой совокупность элементов для приема КГ, маслоотделения, слива осажденного масла в картер двигателя, отвода отсепарированных КГ [3]. Работоспособность системы вентиляции картера определяется следующими характеристиками: - эффективность - способность системы наиболее полно осаждать масло; - исправность - обеспечение заданных параметров и герметичности системы; - нагруженность - определяется фактическим количеством масла, попадаемого на вход в систему с КГ в единицу времени, и соотношением масла к количеству КГ. На работоспособность системы вентиляции картера влияет количество образующихся КГ (расход КГ, определяющий их скорость в системе), а также количество масла в картерном пространстве на входе в систему, находящегося во взвешенном состоянии в каждый момент времени. Значение давления КГ свидетельствует о гидравлическом сопротивлении системы вентиляции картера (для открытой системы). Увеличение расхода КГ повышает вероятность попадания масла в систему вентиляции картера (в виде мелких частиц - «масляного тумана»). Вследствии этого растет нагружен-ность системы вентиляции картера, что влияет на процесс маслоотделение. При работе системы вентиляции картера масло из взвешенного состояния переходит в осажденное. Масло в осажденном состоянии должно сливаться через элементы системы в картер двигателя. Температура КГ также влияет на процесс осаждения масла в системе (фактическая температура КГ при работе двигателя на эксплуатационных режимах достигает 125 °С, температура кипения масла в двигателе составляет порядка 300 °С). Существуют два типа систем вентиляции картера: - открытая - с отводом КГ из картерного пространства в атмосферу; - закрытая - с подачей отводимых КГ из картерного пространства во впускной тракт. К основным преимуществам открытой системы вентиляции картера следует отнести: - простоту конструктивной схемы; - простоту компоновки; - отсутствие негативного воздействия на систему впуска и наддува; - отсутствие влияния на рабочий процесс в цилиндре двигателя и, как следствие, на выбросы вредных веществ; - меньшую конструктивную массу; - меньшие затраты на изготовление, обслуживание и ремонт; - меньшее количество деталей системы. Наряду с этим открытая система вентиляции картера имеет существенный недостаток -это наличие выбросов вредных веществ с КГ в атмосферу, что увеличивает общее экологическое воздействие двигателя на окружающую среду в целом. Основные преимущества закрытой системы вентиляции картера: - процесс сепарации КГ от масляного аэрозоля более эффективен; - отсутствие выбросов вредных веществ в атмосферу из системы. К основным недостаткам закрытой системы вентиляции картера следует отнести: - достаточно сложную компоновку и конструктивную схему; - большое количество деталей системы; - большую конструктивную массу; - необходимость строгого, регулярного обслуживания маслоотделителя, т.к. в случае засорения фильтра у большинства маслоотделителей открывается перепускной клапан и неочищенные КГ поступают напрямую во впускной тракт; - влияние на рабочий процесс в цилиндре двигателя (при неисправности системы); - необходимость установки редуктора на линии, соединяющей маслоотделитель и впускную систему, с целью исключения создания разряжения в картерной полости при значительном засорении воздушного фильтра. По принципу отделения масла система вентиляции картера может быть: - с приводным маслоотделителем - сепаратором; - с использованием воздействия на поток КГ (поворот, изменение скорости) за счет конструктивных мероприятий. Привод сепарирующих элементов может быть осуществлен как по принципу привода центрифуги, так и другим (например, электрическим). В зависимости от того, с каким составом смеси КГ и масла приходится работать системе вентиляции картера, маслоотделитель может располагаться по-разному. В нижней части картера с входом в систему чуть выше оси вращения коленчатого вала маслоотделитель работает со значительным содержанием масла в смеси. В верхней части картера с входом в систему вентиляции картера работает с наименьшим содержанием масла в смеси. Система вентиляции картера для увеличения эффективности маслоотделе-ния может иметь также конструктивные мероприятия по снижению температуры КГ как на входе в маслоотделитель, так и непосредственно внутри него. Оценка состояния и работы системы вентиляции картера При оценке состояния системы вентиляции картера приняты критерии, приведенные ниже [4]. 1. Расход попадаемого масла непосредственно в систему вентиляции картера (г/мин): Gn = Оу + Со =^7^ , (1) где Оу, Оо - расход унесенного и осажденного масла маслоотделителем, г/мин; то - масса отделенного масла (сливаемого из маслоотделителя), г; ту - масса унесенного (осевшего в фильтре) масла за фактическое время измерения, г; t - фактическое время измерения, мин. 2. Относительное содержание масла в КГ (г/л): a =G , (2) G где G - расход КГ, г/мин. 3. Эффективность системы вентиляции картера (%): m E = - 100. (3) my + m- Все вышеизложенное влечет за собой создание таких качественно новых элементов системы вентиляции картера, которые бы подходили для данной системы и обладали при этом хорошей эффективностью и работоспособностью. В данном случае это запатентованный маслоотделитель [5] с сопловым аппаратом для открытой и закрытой систем вентиляции картера (рис. 1 и 2). Проведение испытаний Требуется разработка так называемых замкнутых (закрытых) систем. Отработка так называемых замкнутых (закрытых) систем вентиляции картера в натурных условиях непосредственно на двигателях - достаточно дорогостоящий процесс. Подобная задача может быть решена посредством их отработки на специальных безмоторных стендах. При испытаниях использовались устройство для создания разряжения и установка испытаний системы вентиляции картера. Схема установки представлена на рис. 3. Программа испытаний, замеряемые величины, метрологический анализ 1. Испытания маслоотделителя проводились на индустриальном масле ИЛС-10 ГОСТ 17479.4-87, имеющем кинематическую вязкость 24,55 мм2/с при температуре 20 °С. 2. Испытания проводились при температуре окружающего воздуха в диапазоне от 15 до 25 °С. 3. Испытания провиделись с подачей сжатого воздуха (имитация КГ) и одновременной подачей масла. Порядок проведения испытаний 1. Осуществлено подключение маслоотделителя к установке испытаний системы вентиляции картера, при этом обеспечивались: - подвод сжатого воздуха (имитирующего КГ); - подача подготовленной масляно-воздушной смеси (для имитации подачи масла в систему); - отвод газов из маслоотделителя и их фильтрация (для определения уноса масла из маслоотделителя); - сбор осажденного масла маслоотделителем с последующим взвешиванием (для определения подачи масла и эффективности маслоотделителя); - разряжение на выходе из маслоотделителя для испытаний закрытой системы. 2. Проведены испытания по определению эффективности маслоотделителя открытой и закрытой СВК. Рис. 3. Принципиальная схема установки испытаний системы вентиляции картера: пунктирными линиями обозначены дополнительные элементы стенда, необходимые для испытания закрытой системы; стрелками указано направление движения потока сжатого воздуха и его смеси с маслом; 1 - источник сжатого воздуха с постоянным давлением; 2 - кран регулирования подачи сжатого воздуха; 3 - диафрагма с фланцевым способом отбора давления (для определения расхода сжатого воздуха стандартным сужающим устройством по ГОСТ 8.586.2-2005); 4 - микроманометр типа МИН-240(5)-1.0; 5 - имитатор картерного пространства; 6 - емкость для сбора масла; 7 - места измерения давления в системе (четыре точки - обозначены черным квадратом); 8 - эжектор (устройство смешения воздуха и масла); 9 - фильтр улавливания уноса масла; 10 - маслоотделитель; 11 - зажим, регулирующий подачу масла в систему; 12 - емкость подачи масла; 13 - устройство для создания разряжения; 14 - водяной пьезометр; 15 - ротаметр с местными показаниями типа РМ ГОСТ 13045-67; 16 - обратный клапан (лепесткового типа) Последовательность проведения испытаний Испытания открытой системы вентиляции картера включали следующее. 1. Произведено подсоединение маслоотделителя с испытательной установкой. 2. Проведены испытания по определению сопротивления маслоотделителя (по давлению в емкости имитирующее картерное пространство), давлений на сливе и перед маслоотделителем при подаче сжатого воздуха от 100 до 500 л/мин с шагом 100 л/мин. 3. Определено сопротивление маслоотделителя (по давлению в емкости, имитирующей картерное пространство), масса уноса и отделение масла за фактический период времени с отрегулированной подачей масла при расходах воздуха от 100 до 500 л/мин с шагом 100 л/мин. Подача сжатого воздуха производилась в имитатор картерного пространства. Расход воздуха определен по значению перепада на диафрагме с использованием номограммы. 4. Определен расход подаваемого масла непосредственно в маслоотделитель на установке по испытаниям системы вентиляции картера (косвенным методом - как сумма расходов унесенного и осажденного масла в системе), рассчитан по формуле (1). 5. Определено относительное содержание масла в КГ по формуле (2). Испытания закрытой системы вентиляции картера идентичны испытаниям открытой системы вентиляции картера. Для создания разряжения на выходе из маслоотделителя к установке испытаний системы вентиляции картера подключалось устройство создания разряжения через улавливающий фильтр (по весу фильтрующего элемента определялся расхода унесенного масла). Результаты испытаний 1. Величины отделения, уноса масла маслоотделителем и эффективности открытой системы вентиляции картера по результатам испытаний НТЦ ПАО «КАМАЗ» представлены в табл. 1. 2. Величины отделения, уноса масла маслоотделителем и эффективности закрытой системы вентиляции картера по результатам испытаний НТЦ ПАО «КАМАЗ» приведены в табл. 2. Стендовые моторные испытания маслоотделителя для открытой системы вентиляции картера Были проведены стендовые моторные испытания опытного маслоотделителя на автомобильном дизеле 8ЧН12/13 с имитацией расхода КГ до 400 л/мин (рис. 4). Условия проведения испытаний 1. Стендовые моторные испытания системы вентиляции картера двигателя проводились на испытательной станции двигателей НТЦ ПАО «КАМАЗ». 2. Двигатель перед испытаниями укомплектован в соответствии с приложением 2 ГОСТ 14846-81. 3. Испытания проводились на испытательном стенде для испытаний двигателей фирмы «ХОРИБА-ШЕНК» (Германия). Испытательный стенд оборудован измерительными приборами согласно разделу 2 ГОСТ 14846-81. 4. В качестве охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя использовалась вода. Испытания проводились на моторном масле «ЛУКОЙЛ СУПЕР» SAE 15W/40 (ТУ 0253-075-00148636-99). 5. Условия проведения испытаний - в соответствии с ГОСТ 12.1.005. 6. Испытания системы вентиляции картера двигателя КАМАЗ-740.63-400 при горизонтальном положении двигателя проводились в режиме номинальной мощности (N = 294 кВт, n = 1900 мин1). 7. При стендовых моторных испытаниях двигателя производились замеры: - давления и температуры масла в главной масляной магистрали (ГММ); - температуры воды на выходе из двигателя; - расхода КГ; - давления КГ; - количества масла, содержащегося в КГ; - количества масла, выброшенного с КГ после системы вентиляции картера. При испытаниях обеспечивались: - температура масла в ГММ - 90...105 °С; - температура воды в системе охлаждения двигателя - 82...85 °С. Методика проведения испытаний 1. Перед испытаниями общая наработка двигателя составляла около 500 моточасов. 2. Испытания системы вентиляции картера (опытного маслоотделителя) проводились в следующей последовательности: 2.1. В масляный картер заливалось моторное масло (по верхнюю метку щупа при горизонтальном положении двигателя). 2.2. Двигатель прогревался до достижения маслом температуры 90...105 °С. 2.3. Определялось количество масла, выброшенное с КГ. Замер проводился с отсоединенным расходомером КГ в отдельной емкости, пригодной для взвешивания на весах. Время замера в режиме номинальной мощности - 10 мин. 3. Собранное масло взвешивалось на технических весах модели Т-1000 с набором гирь Г-4-1111.10 и Г-2-21.105 с пределами измерений 0-500 г и ценой деления 0,01 г. 4. Давление КГ замерялось в клапанной крышке второго цилиндра с помощью водяного пьезометра с пределами измерений плюс 600 мм вод. ст. 5. Расход КГ замерялся с помощью расходомера фирмы AVL (тип DVM 607S) с пределами измерений 0-500 л/мин. Результаты испытаний в НТЦ ПАО «КАМАЗ» системы вентиляции картера при работе двигателя КАМАЗ-740.63-400 в режиме номинальной мощности приведены в табл. 3. Количество отделенного масла определено по формуле (1), а эффективность маслоотделителей рассчитана по формуле (3). Выводы 1. При испытаниях относительное содержание масла в КГ снижается с повышением расхода КГ от 0,34 до 0,023 г/л. Данное значение выше, чем при работе двигателя. Это объясняется тем, что расход КГ изменяется от 100 до 500 л/мин, а количество подаваемого масла остается постоянным. 2. При заданных условиях испытаний (температуре масла и подаваемого воздуха) парообразование в маслоотделителе маловероятно, в двигателе температура КГ значительно выше. Для получения данных максимально приближенных к моторным испытаниям, необходим подогрев масла и воздуха в системе. 3. При увеличении расхода КГ увеличивается и гидравлическое сопротивление маслоотделителя, которое определяется значением давления в емкости, имитирующей картерное пространство. Давление при подаче на выход разряжения может быть отрицательным, что связано с работой клапана маслоотделителя. 4. Анализ проведенных испытаний показал, что предел работоспособности с наихудшей эффективностью [3] (Ем не ниже 98,606 %) определен значениями расхода КГ 500 л/мин. При значениях расхода КГ от 400 л/мин величины расхода подаваемого масла составляют 30.37 г/мин. 5. Экспериментальными стендовыми безмоторными и моторными исследованиями подтверждена высокая эффективность системы вентиляции картера с опытным маслоотделителем. Установлено, что в результате стендовых моторных испытаний открытой системы вентиляции картера с применением опытного маслоотделителя предел работоспособности с наименьшей эффективностью (не ниже 97,5 %) определен значениями расхода КГ 360 л/мин.

About the authors

S. M Andriyanov

Naberezhnye Chelny Institute of Kazan Federal University

V. N Nikishin

Naberezhnye Chelny Institute of Kazan Federal University

DSc in Engineering

A. S Kulikov

The Scientific and Technical Center of PJSC "KAMAZ"

Email: z-sergei-z@mail.ru

References

Supplementary files