Efficiency of cleaning and the life cycle of the modernized filter for rough cleaning of diesel fuel

Full Text

Введение Топливные системы серийно выпускаемых тракторных дизелей практически не защищены от воздействия переменного климата. В процессе работы тракторов под действием многих факторов, в том числе и природно-климатических, параметры технического состояния топливной аппаратуры не остаются постоянными, и в эксплуатации наблюдаются значительные отклонения их от номинальных значений [1, 2, 3]. Выход того или иного параметра за пределы установленных допусков приводит к снижению надежности в виде отказов топливных систем и тракторов в целом. Известно, что эксплуатация тракторов в условиях низких температур значительно сложнее, чем летом, и это обуславливается суровыми климатическими условиями: наличием снежного покрова с высотой до 40…80 см, длительностью морозного периода который длится (от 3 до 9 месяцев), при средних январских температурах -25...-35 °С, а минимальные температуры достигают -50...-60 °С. Также увеличивается количество отказов топливных систем за счет проявления эффектов инееобразования в топливных баках, кристаллизации свободной воды в топливе, парафинизации топлива, приводящих к забивке фильтров тонкой очистки [3, 4]. Повышается вязкость топлива и ухудшается его прокачиваемость на линиях топливоподачи и в форсунках, что может привести к полному прекращению подачи топлива. Наибольшему воздействию низких температур и ветра подвергается топливоподающая система трактора. Особенно это ощущается при понижении температуры окружающего воздуха ниже -25 ...-30 °С и жесткости погоды 55...65 баллов [5]. Основной проблемой пуска дизелей в условиях низких температур является равенство температур окружающей среды и топливной системы трактора, при которых наблюдается кристаллизация воды и парафина, обусловливающая ухудшение прокачиваемости топлива. Эта проблема решается одним из известных способов: применением топлива с высокими низкотемпературными свойствами в момент пуска и прогрева тракторов; изменением конструкции узлов трактора, обеспечивающих пуск; внешним утеплением трактора; применением подогревающих устройств [6, 7]. Однако практически все эти способы не изучены с точки зрения их эффективности, а главное, отсутствуют рекомендации по целенаправленному оснащению топливных систем подогревателями, в том числе по использованию фильтров с функцией подогрева топлива. Технические решения, связанные с модернизацией топливных систем при эксплуатации в условиях низких температур, сводятся к установке дополнительных нагревателей топлива в различных участках топливной системы без анализа процесса подогрева топлива и процессов очистки топлива от загрязнения [5, 6, 7]. Цель исследований Анализ предлагаемой модернизации топливных систем для тракторов, направленый на повышение ее надежности (безотказности) при эксплуатации в условиях пониженных температур. Материалы и методы Предлагается схема топливной системы, в которую дополнительно к традиционной вводятся два элемента: предварительный подогреватель топлива и фильтр грубой очистки (ФГО)топлива новой конструкции, конструктивно повышающий качество очистки топлива от эксплуатационных загрязнений, продлевающий ресурс фильтра тонкой очистки топлива, а также обеспечивающий подогрев топлива без дополнительных электрических средств (рис. 1). Предварительные эксперименты [8, 9] по подогреву элементов подачи и фильтрации топлива показали, что для топливной системы (рис. 1) достаточным является включение двух нагревательных элементов: Н1 - в предварительном подогревателе и Н2 - в ФГО новой конструкции (рис. 2) при использовании в качестве ФТО фильтроэлементов, отвечающих стандартным требованиям по качеству топлива. Многочисленными исследованиями и отраслевыми стандартами установлено, что надежная защита прецизионных пар топливного насоса высокого давления и форсунок дизельного двигателя может быть достигнута установкой ФТО, обеспечивающего полноту отсева массы частиц загрязнений φ = 95…98 %, при номинальной 95%-й тонкости фильтрации (очистки) d0,95 = 5…8 мкм. Указанные требования в настоящее время выполняются широким применением в топливных системах ФТО на основе специальных видов фильтровальных бумаг, синтетики, пряжи, картонов и т.д. [4, 11], поэтому выбор сделан в пользу штатного ФТО. Натурные тепловые испытания экспериментальной топливной системы трактора МТЗ-82 проводились в зимний и летний периоды (с февраля по декабрь 2010 г.) с целью подтверждения теоретического описания процессов разогрева элементов топливной системы в пусковом режиме машины. По результатам сравнительных эксплуатационных испытаний, самая большая концентрация загрязнений и по массе, и по размерам частиц содержится в топливном баке независимо от сезона эксплуатации. И, тем не менее, зимой она на 7…12 % ниже, чем летом. В обычной рядовой эксплуатации, когда топливные баки не обслуживаются должным образом, в них присутствуют частицы размером более 50 мкм. В подконтрольной эксплуатации размер частиц в два раза мельче. Штатный фильтр-отстойник (ФГО), выполняющий функции фильтра грубой очистки, обеспечивает концентрацию механических загрязнений на входе в топливную магистраль в рядовых условиях до 0,0076…0,018 %, в подконтрольных - до 0,0025…0,0040 %. Он задерживает частицы размером в основном свыше 40 мкм, но может пропустить и более крупные частицы (до 180 мкм). В зимнее время крупность частиц в прошедшем через штатный ФГО топливе составляет менее 50 мкм по математическому ожиданию при предельной их крупности до 96 мкм. В отличие от штатного ФГО предлагаемый вариант нового ФГО, снабженный фильтром из пористого материала и нагревательным элементом (рис. 3), обеспечивает массовую концентрацию загрязнений даже в рядовой эксплуатации в пределах 0,0035 % (масс.), тогда как в подконтрольной - 0,0025…0,0022 % (масс.). При необходимости можно снизить концентрацию загрязнений на выходе из фильтра за счет повышения степени обжатия. По дисперсному составу он также эффективнее штатного отстойника, поскольку с 90%-й вероятностью способен пропускать через себя частицы не крупнее 25…30 мкм. Результаты и обсуждение В результате испытаний было также установлено, что концентрация загрязнений в баке зависит и от режима работы трактора, и от температуры окружающей среды. В статическом режиме, когда машина не работает, массовое содержание примесей в топливе составляет 0,0055…0,0062 % летом и 0,006…0,007 % зимой, что соответствует количеству частиц размером до 50 мкм в пределах 25000…27000 шт./мл и 19000…22000 шт./мл, соответственно. Эффективность нового фильтра грубой очистки с подогревом топлива характеризуется кривыми распределения на рис. 4. Одним из важных служебных свойств фильтров является их задерживающая способность, характеризуемая коэффициентами полноты фильтрации и отфильтровывания, абсолютной и номинальной тонкостью фильтрации. Физическая сущность этих параметров и их расчет достаточно полно изложены во многих специальных исследованиях, в том числе и в работах [4, 12]. Отметим лишь, что для пористых материалов с неупорядоченной структурой типа пенополиуретана и нетканого иглопробивного материала отечественные стандарты предусматривают номинальную тонкость фильтрации d0,95, теоретически отражающую суть вопроса формулой (1): , (1) где К0 и Ψ0 - коэффициент проницаемости и начальная пористость исходного материала фильтра. С учетом значений коэффициента проницаемости К0 = 96,8·10-12 м2 и начальной пористости Ψ0 = 0,96 исходного фильтровального материала формула (1) приобретает следующий вид [3]: . (2) Количество загрязнений, задерживаемых фильтрами топливной системы в серийном и модернизированном исполнениях, представлены в таблице. Следует отметить, что эксплуатация машин в холодное время года заметного влияния на эффективность работы топливной системы с предлагаемым новым фильтром грубой очистки не оказывает. Так, средняя интенсивность загрязнения ФТО в летний период составляет 126 г/100 моточасов, в зимний - 123 г/100 моточасов. Ресурс фильтроэлемента со средней степенью обжатия n = 4,5 рассчитывался исходя из критического перепада давления на выходе. Эта величина по рекомендациям [4] принималась равной 50 кПа. Математическая обработка экспериментальной выборки зависимости перепада давления ΔР от наработки τ подконтрольных тракторов позволила получить ресурсную кривую (рис. 5), адекватно описываемую экспоненциальной зависимостью вида: , кПа, (3) где ΔР0 - перепад давления на фильтоэлементе без обжатия; τ - наработка в моточасах; λ - эмпирический коэффициент. Рис. 5. Ресурсная характеристика модернизированного фильтроэлемента грубой очистки: - - - экспериментальная; --- расчетная Согласно Положению о технических уходах за колесными машинами, техническое обслуживание их топливной системы с промывкой корпусов и заменой фильтрующих элементов выполняется с периодичностью в 960 моточасов, т.е. при ТО-3. При такой наработке перепад давления на новом ФГО составляет не более 2,0 кПа, что практически не влияет на его пропускную способность. Из рис. 5 также следует, что резкий перепад давления на фильтре наступает при наработке тракторов выше 2000 моточасов. Однако и в этом случае наработка топливной системы до обслуживания при допустимом перепаде давления может быть значительно выше нормативной, но не более 2500 моточасов. Выводы Установлено, что модернизированный фильтр грубой очистки с подогревом топлива снижает количественное содержание механических примесей в топливе по концентрации в 2,0 раза в летний период и в 1,7 раза в зимний, по количеству частиц - в 1,3 и 2,1 раза, соответственно. Показано, что при степени обжатия фильтрующего материала в 4,0…4,5 раза частицы загрязнения размерной группы выше 35 мкм в топливе после его выхода из ФГО с подогревом отсутствуют независимо от температурных условий. По массовой концентрации содержание загрязнений в топливе в этом случае сокращается в 3,0 раза. Экспериментально установлено, что модернизированная топливная система снижает частоту отказов деталей в 1,5…6,2 раза по сравнению с серийной, что свидетельствует о повышении ее надежности за счет снижения загрязнений, обеспечиваемого модернизированным фильтром грубой очистки с подогревом. Ресурсная характеристика фильтроэлемента из нетканого иглопробивного материала, полученная обработкой экспериментальных данных, представляет собой экспоненциальную зависимость (3), свидетельствующую о том, что при наработке машины с периодичностью между ТО-3 в 960 моточасов перепад давления на модернизированном фильтре грубой очистки составляет 2,0 кПа, что не влияет на его пропускную способность. Полученные результаты свидетельствуют о явном повышении надежности топливной системы машины с новым фильтром грубой очистки за счет повышения эффективности очистки дизельного топлива от механических примесей и воды. Рис. 1. Схема модернизированной топливной системы: 1 - топливный бак; 2 - предварительный подогреватель; 3 - модернизированный фильтр грубой очистки (МФГО); 4 - топливоподкачивающий насос; 5 - штатный фильтр тонкой очистки (ФТО); 6 - топливный насос высокого давления; 7 - двигатель; l1, l2, l3 - соединительные трубопроводы; Н1, Н2, - нагреватели Рис. 2. Общий вид модернизированного фильтра грубой очистки с нагревателем: 1 - корпус фильтра; 2 - крышка корпуса; 3 - фильтроэлемент с подогревом [10]; 4 - провода подключения к бортовой сети Рис. 3. Фильтроэлемент с нагревателем: 1, 2 - крышки; 3 - внутренняя перфорированная трубка; 4 - фильтровальная лента из нетканого иглопробивного материала; 5 - перфорированная подложка из гибкого электропроводного несжимаемого материала; 6 - наружная перфорированная обечайка Рис. 4. Кривые распределения частиц загрязнений по размерам: а - в зимний сезон эксплуатации; б - в летний; 1 - на выходе из штатного ФГО; 2 - на выходе из модернизированного ФГО Таблица Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний фильтров на загрязнения Порядковый номер машины Количество загрязнений на фильтрах топливной системы, гр Результативность, раз Штатная топливная система Модернизированная топливная система ФГО ФТО Всего Среднегодовая наработка τ, моточасов ФГО ФТО Всего Среднегодовая наработка τ, моточасов ФГО ФТО Всего 3 920 244 974 1218 890 1120 480 1600 4,60 2,03 1,31 4 816 389 1107 1496 875 803 414 1218 2,06 2,67 1,23 8 880 206 875 1081 910 964 451 1415 4,68 1,94 1,31 10 749 287 928 1215 816 1063 367 1430 3,70 2,52 1,47 Всего 3365 1126 3884 5010 3491 3950 1272 5223 3,51 2,26 0,88 Уд. знач. 842 53,5 173,6 236,9 873 176,0 66,7 232,9 3,29 2,6 1,07

About the authors

D. V Halturin

Tomsk State University of Architecture and Building

Email: dmitriihalturin@mail.ru
PhD in Engineering Tomsk, Russia

A. V Lysunec

Tomsk State University of Architecture and Building

Email: dmitriihalturin@mail.ru
PhD in Engineering Tomsk, Russia

References

Supplementary files