автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Защита топливной аппаратуры автотракторных дизелей от воды

белорусская государственная политехническая

академия ргб ой

УДК 621.436-75

Кондраль Александр Евгеньевич

защита топливной аппаратуры автотракторных дизелей от воды

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МИНСК-2000

Работа выполнена в Белорусской , государственной сельскохозяйственной академии (БГСХА)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор - , - КАРТАШЕВИЧ А. Н.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор, Богдан Н. В.;

- кандидат технических наук Сушко А. А.

Оппонирующая организация: ПО «Минский тракторный завод», г. Минск.

Защита состоится «2*>» декабря 2000 г. в 14-00 на заседании докторского совета по защите диссертаций Д 02.05.04 при Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220023, Минск, пр-т Ф. Скорины, 65, Белорусская государственная политехническая академия, телефон ученого секретаря 232-81-86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГПА.

Автореферат разослан «•/^ » ноября 2000 г

Ученый секретарь совета по защите диссертаций ¿^т^О в. А. Барнин

©Кондраль А.Е., 2000 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. По экспертным оценкам 25...30% наиболее дорогостоящих узлов топливной аппаратуры (ТА) дизелей преждевременно выходит из строя. Основной причиной является некачественная очистка топлива от загрязнений. Применение современных фильтрующих / элементов обеспечивает высокое качество очистки топлива от механических примесей. Вместе с тем для очистки от воды в системе топливоподачи служит фильтр грубой очистки (ФГО), в котором задерживаются только крупные капли воды, обладающие большой массой и силой инерции. Микрокапли малого диаметра не задерживаются ФГО, что приводит к набуханию и нарушению целостности бумажных фильтрующих элементов. Совместное действие воды и механических примесей вызывает повышенный износ и нарушение работоспособности основных элементов системы топливопо дачи - топливного насоса высокого давления (ТНВД) и форсунок. При этом возрастает расход топлива, затраты па запасные части и ремонт дизельного двигателя. Поэтому исследования в области создания надежных систем автоматической защиты дизелей от воды яв-'/ ляются актуальными.

Цель н задачи исследования. Целью исследования является разработка системы автоматической защиты топливоподающей аппаратуры (САЗ ТА) от воды. Для достижения данной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- изучить современное состояние и перспективы решения проблемы повышения надежности дизельных двигателей путем защиты ТА от работы на обводненном топливе;

- установить основные источники образования и накопления воды в топливных баках энергонасыщенных тракторов, влияние воды на качество дизельного топлива, а также методы и средства, применяемые для контроля степени обводненности и очистки топлива от воды;

- построить математическую модель, описывающую процесс очистки топлива от воды в неоднородном электрическом поле.

- на основании разработанной математической модели определить рациональное сочетание конструктивных параметров фильтра, что даст возможность значительно повысить степень очистки топлива от мелкодисперсной воды;

- обосновать параметры и разработать систему контроля степени обводненности дизельного топлива;

- провести лабораторные и эксплуатационные испытания предлагаемых устройств САЗ ТА дизелей от воды

Объект и предмет исследовании. Объектом исследований является система топливоподачи автотракторных дизельных двигателей. Предметом исследований служит процесс очистки топлива от воды и методы контроля наличия воды в топливе.

Методология и методы проведения исследования. В процессе исследований была разработана методика и изготовлена экспериментальная установка, что позволило провести испытания емкостных датчиков, новой конструкции фильтра и установить эффективность работы предлагаемой системы.

Научная новизна полученных результатов. На основании проведенных исследований определены математические выражения, описывающие процесс накопления механических примесей и воды при эксплуа-V тации тракторов МТЗ-82 и Т-150К. Установлен характер распределения отстоявшейся в топливном баке свободной воды по элементам системы топливоподачи. Исследована эффективность водоотделения серийных ФГО. Установлена теоретическая зависимость эффективности очистки топлива от воды в неоднородном электрическом ноле. На основании полученных зависимостей определено сочетание конструктивных параметров фильтра, которое обеспечивает высокую степень очистки топлива. Разработан комплекс устройств, обеспечивающих повышение надежности работы ТА путем предотвращения поступления в систему топливоподачи обводненного топлива. Определено входное напряжение системы контроля степени обводненности топлива и установлена зона максимальной чувствительности применяемого в данном устройстве емкостного датчика. Проведены исследования предлагаемой конструкции фильтра-отстойника. Научная новизна подтверждается: патентом N2060170 (Россия) "Топливный бак транспортного средства;" патентом N2029595 (Россия) "Устройство для обезвоживания дизельного топлива;" патентом N2046974 (Россия) "Система контроля степени обводненности дизельного топлива;" патентом N2028481 (Россия) "Система защиты дизеля от попадания воды в цилиндры;" заявкой на выдачу патента N4949417/26/044657 "Фильтр-отстойник двигателя внутреннего сгорания."

Практическая значимость полученных результатов. Результаты исследований могут быть использованы для модернизации существующих систем подачи топлива, а также при создании новых дизельных двигателей. Материалы исследований приняты к использованию на "Гомельском заводе пусковых двигателей" при разработке перспективных конструкций дизелей малой мощности и Витебским ССП для установки на автотракторные двигатели тракторов, эксплуатируемых в концерне Белме-лиоводхоз.

Экономическая значимость полученных результатов. Экономия средств при внедрении предлагаемых устройств обеспечивается за счет снижения расхода топлива, повышения срока службы наиболее дорогостоящих узлов ТА, снижения продолжительности ремонта трактора. Рассчитанный с применением "Методических рекомендаций по комплексной оценке эффективности мероприятий, направленных на ускорение научно-технического прогресса", экономический эффект за период эксплуатации

составляет для трактора МТЗ-82 - 319 у. е., а для трактора Т-150К - 937 у. е. Срок окупаемости дополнительных затрат составляет для МТЗ - 2.1 года, а для Т-150К менее одного года.

Основные положения диссертации, выносимые па защиту: аналитические выражения для определения эффективности очистки топлива в неоднородном электрическом поле; результаты экспериментальных исследований влияния концентрации, степени дисперсности воды в топливе, напряжения, приложенного к электродам, расхода топлива на эффективность работы фильтра; обоснование конструктивных параметров предлагаемых конструкций фильтра и емкостного датчика САЗ ТА от воды.

Личный вклад соискателя заключается в разработке математической модели процесса очистки топлива в неоднородном электрическом поле, методики экспериментальных исследований, создании экспериментальной установки, образцов предлагаемых устройств фильтра-отстойника и системы контроля степени обводненности дизельного топлива, проведении теоретических и экспериментальных исследований, обработке полученных данных.

Апробащш результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертации доложены и одобрены на научно-технических конференциях: Белорусской сельскохозяйственной академии (1992, 1996, 2000 г. г.), Санкт-Петербургского государственного аграрного университета (1992, 1993, 1995, 1997 г.г.), Могилевского машиностроительного института (1993 г.), Белорусской государственной политехнической академии (1996 г.), Белорусского аграрно-технического университета (1997 г.), Institut budownietwa mechanizacji i elektryfikacji rolnictwa, Warszawa (2000 г.).

Оиублнковапность результатов. По теме диссертационной работы опубликовано: 17 печатных работ, в том числе патенты на изобретения -4, научных статей - 6, тезисов научных докладов - 7.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, шести глав, заключения, списка литературных источников (151 наименования, из них 13 на иностранном языке) и приложений. Она изложена на 170 страницах машинописного текста, включает 63 рисунка, 10 таблиц и 3 приложения на 15 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена краткая характеристика состоянии проблемы, обоснована актуальность исследований по очистке топлива от мелкодисперсной воды, отмечено влияние, которое оказывает обводненное топливо на надежность системы топливоподачи дизельного двигателя.

В первом главе рассматривается состояние вопроса и определяются задачи исследований. Исследования Николаенко А. В., Рыбакова К. В., Карташевича А. Н. показали, что наличие в топливе мелкодисперсной воды приводит к снижению надежности системы топливоподачи дизельного двигателя.

Из анализа литературных источников видно, что усложнение системы топливоподачи с целью достижения наилучших показателей по экономическим и экологическим характеристикам работы дизеля требуют повышения качества очистки топлива от всех видов загрязнений. В то же время по данным Рыбакова К. В. до 40 % от общего количества отказов двигателя приходится на систему топливоподачи. Из них, по мнению Мылова М. А., до 10 % связано с наличием воды в топливе.

Основным источником поступления воды в топливные баки машин в процессе работы является атмосферная влага воздуха. Колебание температуры топлива приводит к насыщению молекул углеводородов до пределов растворимости и переходу растворенной воды в свободное состояние. При этом наибольшее количество воды поступает в бак непосредственно в процессе работы дизеля и находится в топливе в мелкодисперсном состоянии.

Присутствие в топливе даже незначительного количества мелкодисперсной воды приводит к резкому изменению его качества: ухудшаются низкотемпературные свойства, снижаются прокачиваемость, фильтруе-мость и теплота сгорания, повышается коррозионная способность, ухудшаются противоизносные и противозадирные показатели, а также распыление и испарение в процессе смесеобразования. Наиболее неблагоприятное воздействие на систему топливоподачи оказывает сочетание свободной воды и повышенного содержания органических смол.

Результаты исследований свидетельствуют о необходимости совершенствования системы топливоподачи дизельных двигателей. Необходимо разработать и включить в ее конструкцию эффективные средства защиты ТА. Система автоматической защиты ТА дизелей от воды должна иметь средства для очистки топлива от мелкодисперсной воды, а также устройство контроля степени обводненности топлива. При этом очистка от наиболее крупных твердых загрязнений и мелкодисперсной воды должна быть обеспечена в ФГО.

Проведенный патентный поиск показал, что ведущие в области ди-зелестроепия страны предлагают множество различных устройств, позволяющих отделять воду от топлива, контролировать ее содержание в нем и автоматически удалять отстой из фильтров. В качестве критериев, характеризующих систему защиты топливной аппаратуры дизелей от воды, целесообразно выбрать надежность ее работы в различных условиях эксплуатации, эффективность водоотделения и стоимость применяемых конструктивных решений.

Анализ существующих устройств позволяет сделать вывод о том, что для контроля содержания воды в топливе лучше всего примепять емкостные датчики, а для очистки топлива от воды использовать неоднородное электрическое поле. Таким образом, оценка современного состояния вопроса защиты ТА дизелей от воды позволила сформулировать основные цели и задачи научного исследования.

Во второй главе рассмотрен процесс разделения водотопливной эмульсии под действием неоднородного электрического поля. При этом установлена математическая зависимость эффективности очистки топлива ог конструктивных параметров фильтра и степени дисперсности эмульсии.

Эффективность фильтра-отстойника можно оценить коэффициентом осаждения, который равен отношению изменения объемного содержания воды в очищенном топливе к ее начальной концентрации. В фильтр может поступать полидисперсная эмульсия широкого фракционного состава. Характеристикой ее полидасдарсности является дифференциальная функция F(J) распределения микрокапель по размерам. Максимуму данной функции соответствует вероятнейший диаметр капель il„ а точкам ее пересечения с осыо абсцисс - наибольший dmax и наименьший (/„„■„ диаметры. В фильтре задерживаются все капли, размером больше некоторого граничного диаметра d,p, а также часть капель меньшего размера. Задержанный фильтром объем воды равен сумме объемов всех капель, выпавших в отстой. Коэффициент осаждения определяется следующим образом:

Лгр aímax

т/ 7. т. + 1 ЖК3

к _ va _ 2 _ afrm___/р.

т/ т? tfnsín „ •

0 0 БЖ-К5

dirán

где У,) - объем воды, поступившей с топливом в фильтр, м3; V¡ - объем воды в топливе после фильтра, м"; V2 - объем воды, задержанной фильтром, м" ; F(d) - доля капель диаметра </, в эмульсии, n(d¿) - доля задержанных фильтром капель диаметра d¡.

Доля капель любого диаметра, задержанных фильтром, определяется отношением действительной скорости капли в фильтре к скорости, необходимой дня осаждения.

Для определения действительной скорости движения капли необходимо найти сумму действующих на нее внешних сил.

В неоднородном электрическом поле на каплю действуют следующие силы: сила инерции, направленная противоположно направлению движения капли, пондеромоторная сила неоднородного электрического поля, возникающая из-за разности диэлектрической

проницаемости воды и топлива и направленная в сторону увеличения напряженности поля, сила Кулона, действующая вследствие притяжения капли к электроду, сила тяжести, подъемная сила Архимеда и сила сопротивления движению капли в вязкой среде.

Спроектируем действующие на каплю силы на ось направленную в сторону движения потока топлива.

- проекция силы инерции капли на

ось Ъ, Н;

/•¿г- проекция силы Архимеда на ось

г, II;

проекция силы сопротивления движению капли в вязкой среде на ось Ъ, II; Р24- проекция силы тяжести на ось Z,

Н;

Рц- проекция пондеромоторной силы на ось 7*, Н;

F,(- проекция силы Кулона на ось X,

Н.

Рис. 1. Схема сил, действующих на микрокаплю в неоднородном электрическом поле

Исходя из первого закона Ньютона, получим дифференциальное уравнение движения микрокапли в неоднородном электрическом поле, которое имеет решите следующего вида:

¿>»№^[^77] - ¿)+ ^7, + ь

2 с е1

©

ь _ бд ЗМ2+2Д ^ с _ 2 Зд, + 2/4

Й+Д ' ¿1 Э+А '

■р2 /Ь'-М

где / - время электрообработки, Р - постоянная интегрирования, рг плотность воды, кг/м3; /о - динамическая вязкость топлива, Па с; -динамическая вязкость воды, Па-с; Е0 - напряженность электрического

поля в плоскости электрода, В/м; Ег- проекция вектора напряженности на ось 2", В/м; gradEl-npoeк¡x^iя градиента напряженности неоднородного электрического поля на ось X, В/м2; £о -абсолютная диэлектрическая проницаемость воды, Ф/м; £1 - относительная диэлектрическая проницаемость топлива, Ег - относительная диэлектрическая проницаемость воды.

Постоянную интегрирования можно определить, исходя из граничных условий. Предположим, что в момент времени I - 0, когда микрокапля попадает в межэлектродоюе пространство, скорость ее относительно потока топлива равна скорости осаждения капли под действием силы тяжести и0, которая определяется следующим образом:

0 бМ(2А+3Л) 1 ^

Тогда постоянная интегрирования определяется следующим образом:

1п

-.¡Ь2 + IЪеуд -Г с] - Ь—2ещ

(4)

■Г*

2 + е]

С учетом (3) и (4) выражение (2) позволяет получить зависимости мгновенной скорости микрокапли от ее размера, местоположения в междуэлектродном пространстве, расстояния между электродами и приложенного к ним напряжения. Следовательно, зная распределение микрокапель эмульсии по размерам, можно определить долю капель любого диаметра, которая будет задержана в фильтре, и тем самым вычислить коэффициент осаждения фильтра.

Таким образом, полученные формулы позволяют получить математическую модель зависимости эффективности очистки топлива в ФГО от его основных параметров и характеристики поступающей в него эмульсии.

Неоднородность электрического поля в системе сеточных электродов обуславливается существенными изменениями его потенциала вблизи электродов. Область между электродами можно разбить на две части: область однородного поля, определяемая напряженностью без учета того, что электрод представляет собой сетку, и "ближнюю, область" поля, напряженность которой неоднородна. Неоднородность электрического поля объясняется тем, что сеточный электрод представляет собой

совокупность тонких проводников. В "ближней области" поля вокруг каждого проводника создается потенциал, который можно рассматривать аналогично как и потенциал системы "провод-плоскость". В роли плоскости можно рассматривать противоположный электрод. Вблизи проводников напряжешюсть электрического поля, которая представляет собой 1радиент потенциала, существенно изменяется. При удалении от сетки, согласно принципа суперпозиций, потенциалы всех проводников складываются, и влияние каждого из них в отдельности на общее поле становится несущественным. По данным Гапонова В. И., потенциал поля сеточного электрода можно определить следующим образом:

где и - напряжение между электродами, В; А- расстояние между электродами, м; я - расстояние между проволокой в сеточном электроде, м; у- координата точки, м.

Установив распределение потенциала в пространстве между двумя электродами, можно определить напряженность электрического поля между ними. Как известно, напряженность электрического поля в любой его точке равна градиенту потенциала, взятому с обратным знаком. Из выражения (5) видно, что потенциал электрического поля определяется конфигурацией электродов, их взаиморасположением, величиной приложенной к электродам разности потенциалов и координатами капли в межэлектродном пространстве.

Полученная математическая модель дает возможность определигь влияние различных параметров фильтра на эффективность очистки, а также решить обратную задачу - определить конструктивные параметры фильтра при заданном коэффициенте осаждения.

В качестве примера нами произведен расчет водоотделяющей способности фильтра для дизельного двигателя 6 ЧН 13/11 (СМД-62). Для этого на специально изготовленной экспериментальной установке посредством седиментационного анализа определялись дифференциальные функции распределения капель но размерам для эмульсий различной степени дисперсности. Определялись напряженность Ег и градиент напряженности %гаЛЕг электрического поля при напряжении II = 3000В, расстоянии между электродами И = 0.03м и шаге сетки а = 0.0005м. Затем вычислялись силы, действующие на капли различного диаметра, их мгновенная скорость и доля капель данного диаметра, которая задерживается фильтром. Зная функцию распределения эмульсии по размерам капель, из выражения (1) можно узнать расчетное значение коэффициента осаждения. На рис.2 представлена зависимость коэффициента осаждения от напряжения,

подведенного к электродам при различной степени дисперсности эмульсии, которую можно оценить вероятнейшим размером капель. Как видно из данного рисунка, при повышении напряжения до 3000 В эффективность водоотделения фильтра превышает 0.95, а при напряжении 4000 В становится близкой к единице.

К

Рис. 2. Расчетное значение зависимости коэффициента осаждения фильтра К от напряжения на электродах V (В) при различной степени дисперсности эмульсий Лв (мкм).

В третьей главе для повышения надежности топливной аппаратуры дизелей нами предлагается использовать систему контроля степени обводненности топлива [6,7]. Основой устройства является емкостной датчик, который состоит.из металлических электродов, между кромками которых имеется зазор. К электродам подключается генератор синусоидальных колебаний. Таким образом, емкостной датчик является конденсатором, обкладками которого служат электроды, а диэлектриком поток топлива. Емкость конденсатора определяется его геометрическими размерами и диэлектрическими параметрами изолятора между электродами. При попадании воды в виде непрерывного потока или даже в виде мелкодисперсной эмульсии в зону датчика изменяется его диэлектрическая

проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь, что приводит к срабатыванию системы и включению сигнализирующего устройства.

Для уменьшения поступления воды в топливную систему при хранении машин, а также в процессе работы двигателя нами предлагается новая конструкция топливного бака транспортного средства [4] и фильтр с применением для обезвоживания влагопоглощающих материалов [5].

Кроме того, для повышения качества очистки топлива от воды и твердых механических частиц нами разработан фильтр-отстойник (рис. 3), имеющий в своей конструкции электроды в виде сетки, на которые от одной из обмоток генератора через повышающий трансформатор и умножитель подается высокое напряжение постоянного тока. Неоднородное электрическое поле, действующее в зоне электродов, позволяет значительно повысить эффективность работы фильтра по сравнению с обычной конструкцией.

1-корпус, 2- стакан, 3- дно стакана, 4- распределитель потока, 5. ..9 пакет сетчатых электродов, 10...13- конусы из изоляционного материала, 14...16- отверстия, 17-цилиндрический стакан, 18- сферический сетчатый элекгрод, 19- осадитель-ный электрод, 20- изолятор, 21- диод умножителя напряжения, 22- конденсатор умножителя напряжения, 23- повышающий трансформатор, 24- обмотка генератора,. 25- соединительные провода, 26-входной штуцер, 27- выходной штуцер.

Рис. 3 Фильтр-отстойник для двигателя внутреннего сгорания.

В четвертой главе приводится методика исследований. Общая программа исследований была реализована в следующей последовательности. На первом этапе с целью определения основных параметров разрабатываемой системы защиты ТА дизелей от воды исследовалась динамика накопления загрязнений и распределение их по различным элементам системы топливоподачи в условиях реальной эксплуатации. Так как ФТО с бумажными фильтрующими элементами не способны задерживать свободную воду, была исследована эффективность водоотделения серийных ФГО. Полученные данные позволяют установить содержание воды в топливе после ФГО, а также определить размеры микрокапель, которые не задерживаются в нем.

Для определения влияния содержания воды в топливе на электрофизические параметры датчика системы контроля степени обводненности топлива с помощью генератора электрических сигналов, осциллографа С1-118 и измерительного прибора Е12-2 исследовалась зависимость его емкости и тангенса угла диэлектрических потерь от концентрации водо-топливной эмульсии при частоте сигнала /= 1000 Гц. По этим данным вычислялось его полное электрическое сопротивление.

Для повышения чувствительности емкостного датчика в измерительной схеме, которая включает в себя колебательный контур, осциллограф и цифровой милливольтметр В7-27А/1, была определена зависимость резонансного напряжения на емкостном датчике от входного напряжения генератора при концентрации воды в топливе, изменяющейся в пределах 0...0.08 % по объему. Для непрерывного контроля обводненности топлива нами приметался предложенный Максютинским П. Ф. оптический метод, принцип которого основан на измерешш ослабления светового потока на каплях эмульсионной воды в контролируемом топливе. Для малокопцентрированных эмульсий оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации воды в топливе. Поэтому нами с помощью спектрофотометра СФ - 46 были проведены исследования зависимости оптической плотности эмульсии от концентрации воды в топливе при различной степени ее дисперсности. Полученные данные позволяют определить содержание воды в топливе. Изменение степени дисперсности эмульсии обеспечивалось путем применения в диспергирующем аппарате экспериментальной установки шайб диаметром 3, 4, 5 и 6 мм. Определение дифференциальной функции распределения микрокапель эмульсии по размерам проводилось путем многократного измерения на спектрофотометре динамики изменения оптической плотности в зависимости от времени. Затем посредством седиментационного анализа устанавливались интегральные кривые накопления осадка и соответствующие им дифференциальные функции распределения.

Для определения эффективности фильтра были получены зависимости коэффициента осаждения от напряжения на электродах при различном вероятнейшем диаметре капель эмульсии. Для этого испытываемый фильтр устанавливался на экспериментальную установку, которая позволяет получить эмульсии заданной концентрации с различной степенью дисперсности, устанавливать заданное значение расхода то шиша через испытываемый фильтр и определять концентрацию воды в топливе после очистки. Напряжение на электроды фильтра подводилось от источника высоковольтных напряжений ВС - 23.

Для проверки работоспособности фильтра в условиях реальной эксплуатации опытный образец фильтра устанавливался в топливную систему дизеля 6ЧН 13/11 трактора Т150К. Для контроля перепада давления применялся измерительный прибор КИ-13943. Измерения проводились при наработке, соответствующей очередному ТО.

В пятой главе приведены результаты исследования процесса накопления основных загрязнений в системе топливоподачи дизельных двигателей энергонасыщенных тракторов Т-150К и МТЗ-80/82, которые позволили установить сложную нелинейную зависимость накопления массы механических примесей и свободной воды в ФГО и ФТО от наработки. Полученные данные показывают, что в обоих случаях масса воды, задержанной в ФГО, на порядок превышает массу воды, задержанной в ФТО. Исследование распределения в процессе работы двигателя накопившейся в топливном баке воды по элементам системы топливоподачи показывает, что наиболее существенное повышение поступившего к форсункам двигателя объема воды наблюдается при предельном заполнении ФГО, то есть ФТО обладает крайне низкой способностью задерживать свободную воду.

Проведенные посредством седиментационного анализа исследования водоотделяющей способности серийного ФГО дизельного двигателя СМД-62 (6ЧН 13/11) показали, что при поступлении в фильтр мелкодисперсной эмульсии эффективность очистки топлива недостаточна. В фильтре-отстойнике полностью задерживаются только микрокапли диаметром, превышающим 120... 150 мкм, а большая часть капель меньшего диаметра проходит далее в систему. При этом, как показали наши исследования, коэффициент осаждения микрокапель воды не превышает для серийного ФГО 0.12... 0.36, что является недостаточным для защиты ТА.

Для определения оптимального режима работы емкостного датчика нами определена зависимость резонансного напряжения на емкостном датчике U2 от входного напряжения генератора U1 при концетрации воды в топливе, изменяющейся в пределах 0...0.08 % по объему (рис. 4.). Данные исследования показывают, что повышение входного напряжения U, вызывает соответствующее увеличение напряжения U2 при

иг,В

2,5

1.5

0,5

Концентрация

воды \Л/%

Ш.мВ

20 40 60 80 100

Рис. 4. Зависимость падения напряжения на емкостном датчике от входного напряжения электрической схемы при различной концентрации воды в топливе \У.

2

1

различных значениях концентрации воды в топливе. При этом все зависимости имеют точку перегиба, вблизи которой зависимость 1)2 = /(11]) близка к линейной. То есть при некотором значении входного напряжения изменение резонансного напряжения для определенной концентрации воды в топливе будет максимальным. При повышении напряжения выше этого значения чувствительность устройства падает из-за возрастания тока утечки. При уменьшении входного напряжения чувствительность устройства также снижается из-за уменьшения напряженности электромагнитного поля внутри емкостного датчика.

Для определения зоны максимальной чувствительности датчика был проведен рарессиошшй анализ зависимости и2 = /(и¡) для различных значений концентрации воды в топливе. Полученные данные показали, что напряжение, при котором чувствительность датчика будет максимальна, находится в пределах 55...65 мВ.

Исследования оптической плотности эмульсии показали, что она возрастает с повышением концентрации и степени дисперсности. Причем при содержании воды в топливе в пределах до 0.1 % зависимость близка к линейной, то есть в этом случае выполняется закон Бугера и оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации IV. Дальнейшее повышение концентрации приводит к тому, что пропорциональность нарушается и зависимость перестает быть линейной. Это свидетельствует о том, что оптический метод при изменении степени дисперсности в

заданных пределах может применяться с достаточной точностью только в том случае, если содержание воды не превышает 0.1% по объему.

Для определения эффективности очистки топлива от воды при различных значениях на пряже нет на электродах были получены зависимости коэффициента пропускания и оптической плотности топлива после очистки от напряжения на электродах при расстоянии между электродами к = 0.03 м и номинальном для фильтра ФГ-2 расходе топлива (? = 75кг/ч. На основании этих данных получены соответствующие зависимости концентрации воды в топливе после фильтра IV/ и коэффициента осаждения К от напряжения на электродах и, которые показаны на рис. 5. Приведенные зависимости показывают, что с повышением напряжения на электродах фильтра коэффициент осаждения возрастает для эмульсий различной степени дисперсности. Дальнейшее повышение напряжения приводит к некоторому снижению эффективности очистки топлива. Это объясняется тем, что при повышении напряженности электрического поля свыше некоторого критического значения под действием внешних сил происходит диспергирование микрокапель, поэтому наиболее рациональным при к = 0.03 м является напряжение V = 4000 В. Проведенные нами исследования предложенной конструкции

К У/,%

1

0.9 0.8 О Л

о.е

0.5 0,4 0.3 0.2 0,1

■~т 0.05

-- 0..04

Диаметр" дисоержрую щей ш.внбы

1-йш=3мм 2.-с)ш=4мн

3 - е)ш=5м.м 4.-с1ш=6мм

.5 - йШ=гЗми

6 -йш^мм

7 - <1ш=5мм ■8 -с!ш=6мм

О 1000 2000 3000 4000- 5000 Рис. 5. Экспериментальная зависимость объемного содержания воды в топливе ¡V, (1,2,3,4) и коэффициента осаждения К (5,6,7,8) от напряжения на электродах и при расходе топлива <} = 75кг/ч

фильтра показали, что повышение концентрации воды в топливе до 0.1% не вызывает значительного снижения эффективности работы фильтра для

различной степени дисперсности эмульсии. Увеличение расхода топлива через фильтр свыше 80 кг/ч приводит к резкому снижению коэффициента осаждения.

Эксплуатационные испытания опытного образца фильтра проводились в топливной системе дизеля 6ЧН 13/11 трактора Т150К. В ходе испытаний напряжение на электродах и расстояние между ними устанавливались исходя из результатов лабораторных исследований. Для получения переменного тока схема подключалась до блока выпрямителей к одной из обмоток бортового генератора. Для повышения напряжения после повышающего трансформатора применялся четырехкаскадный умножитель напряжения. Рассчитанное значение напряжения на электродах фильтра при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя в данной электрической схеме составляло 3900...4000 В.

Исследования проводились с целью установления влияния повышения качества очистки топлива от воды на работоспособность ТА дизельного двигателя. Наблюдения показали, что гидравлическое сопротивление фильтрующих элементов в течение всего срока службы остается стабильным и не превышает допустимых пределов. В течение всего периода исследований не наблюдалось отказов элементов ТА, которые происходят в случае поступления обводнешюго топлива в систему тошшвоподачи. Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод о том. что применение предлагаемой конструкции фильтра для повышения надежности системы топливоподачи дает положительный эффект.

Сравнительная оценка теоретических значений коэффициеш'а осаждения с экспериментальными данными показали, что вычисленное значение критерия Фишера меньше табличного при выбранном уровне значимости. Следовательно, гипотеза об адекватности предлагаемой математической модели экспериментальным данным не отвергается.

В шестой главе приводится расчет экономической эффективности применения предлагаемой конструкции фильтра-отстойника. Полученные данные показывают, что применение новой конструкции фильтра является экономически целесообразным. Для трактора МТЗ-80/82 общий экономический эффект за весь срок эксплуатации составляет 319 у. е. Срок окупаемости дополнительных затрат составляет для трактора МТЗ-80/82 -2.1 лет. Максимальный эффект наблюдается для тракторов большей мощности. Так, для трактора Т-150К расчетное значение экономического эффект за весь период эксплуатации составляет 937 у. е., а срок окупаемости дополнительных затрат менее одного года.

заключение

1. Исследования водоотделяющей способности серийного ФГО дизельного двигателя СМД-62 (6ЧН 13/11.5) показали, что при поступлении в фильтр мелкодисперсной эмульсии в нем полностью задерживаются только микрокаши диаметром, превышающим 120... 150 мкм, большая часть капель меньшего диаметра проходит далее в систему, а коэффициент осаждения не превышает 0.12... 0.36 [1,2,3].

2. Предлагаемый комплекс устройств позволяет снизить содержание воды в топливной системе, повысить качество очистки топлива от мелкодисперсной воды и обеспечить контроль наличия обводненного топлива в случае предельного заполнения фильтров [4,5,6,7].

3. Разработанная математическая модель процесса обезвоживания дизельного топлива в неоднородном электрическом поле позволяет анализировать влияние конструктивных параметров предлагаемой конструкции ФГО — напряжения электрического тока, расстояния между электродами, расстояния между проволоками сетки и их диаметра, расхода топлива через фильтр, а также степени дисперсности поступающей в фильтр эмульсии на эффективность работы фильтра. Расчетные данные для фильтра типа ФГ-75 дизельного двигателя 6ЧН 13/11.5 (СМД-62) показывают, что при напряжении на электродах U = 4000 В, расстоянии между ними h = 0.03 м его эффективность по удалению воды из топлива близка к единице. [8,9,10]

4. Исследования емкостного датчика САЗ ТА дизелей от воды показали, что при использовании явления резонанса в последовательном колебательном контуре его чувствительность достигает 0.01%, а наибольшая чувствительность системы обеспечивается при входном напряжении в пределах 55...65мВ [11,12,13,14].

5. Испытания новой конструкции фильтра показали, что с повышением напряжения между электродами до 3500... 4500 В эффективность очистки топлива возрастает для эмульсий различной степени дисперсности. Наиболее приемлемым для принятого расстояния между электродами h = 0.03м является напряжение V = 4000 В [15,16].

6. Для трактора МТЗ-80/82 общий экономический эффект за весь срок эксплуатации составляет 319 у. е., а срок окупаемости дополнительных затрат - 2.1 года. Для трактора Т-150К расчетное значение экономического эффекта за весь период эксплуатации составляет 937 у. е., а срок окупаемости дополнительных затрат менее одного года. [17]

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кондраль А. Е., Прудников В. Д. Накопление воды в топливной системе тракторных дизелей./Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей// Тезисы докладов постоянно действующего научно-технического семинара стран СНГ. - С.- Петербург, 1992,- С.43.

2. Кондраль А. Е. Определение водоотделяющей способности по размерам капель фильтра грубой очистки топлива (ФГО) дизельного двигателя СМД-60./Улучшение эксплуатациошшх показателей двигателей, тракторов и автомобилей// Тезисы докладов. - С. - Петербург. - 1995. -С.43

3. Карташевич А. Н., Кожушко В. К., Кондраль А. Е. Определение эффективности обезвоживания топлива в фильтре грубой очистки дизельного двигателя//Механизация гидромелиоративных работ. - Сб. науч. трудов. — Горки, - 1997,- С41...48.

4. Пат. 2060170 Россия, 6 В 60 К 15/03 Топливный бак транспортного средства / А. Н. Каргашевич, В. К. Кожушко, А. Е. Кондраль. Заявл. 24.08.92. N5059842/11; Опубл. 20.05.96, Бюл. N14 // Открытия. Изобретения. - 1996. -N14.

5. Пат. 2029595, Россия, 6 F 02 D 45/00. Устройство для обезвоживания дизельного топлива / А. Н. Карташевич, В. К. Кожушко, А. Е. Кондраль. Заявл. 26.03.92. N5060357/06; Опубл. 27.02.95, Бюл. N6 // Открытия. Изобретения. - 1996. -N6.

6. Пат. 2046974 Россия, 6 В 01 D 3/06. Система контроля степени обводненности дизельного топлива / А. Н. Карташевич, В. К. Кожушко, А. Е. Кондраль. Заявл. 23.02.92. N5060211/06; Опубл. 27.02.95, Бюл. N30 // Открытия. Изобретения. - 1995. - N30.

7. Пат. 2028481 Россия, 6 F 02 В 7700. Система защиты дизеля от попадания воды в цилиндры/ А.Н. Карташевич, В.К. Кожушко, А.Е. Кондраль. Заявл. 26.03.92. N5034497/06; Опубл. 9.02.95, Бюл. N6 // Открытия. Изобретения. - 1996. -N6.

8. Карташевич А. Н., Кондраль А. Е. Определение водоотделяющей способности фильтра грубой очистки топлива автотракторного двигателя./ Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в Белорусской государственной политехнической академии// Материалы 51-ой научно технической конференции. — Ч.З. -Минск,- 1995. - С. 71...72.

9. Каргашевич А.Н., Кондраль А.Е. Повышение эффективности очистки топлива от воды в системе топливоподачи дизельного двигателя. / Ekologiczne aspekty mechanizacji, ochrony roslin, upravy gleby i zbioru ros-

lin upravnich. // VII Miedzynarodowe simpozjum. Institut budownictwa mechanizacji i elektryfîkacji rolnictwa. - Warszawa, 2000. - C. 289... 295.

10. Карташевич A.H., Кондраль A.E. Исследование процесса обезвоживания дизельного топлива в неоднородном электрическом иоле.// Becni Акадэми аграрных навук Рэспублш Беларусь. - 2000. - №3., - С. 85...90.

11. Карташевич А. Н., Кожушко В. К., Кондраль А. Е. Определение обводненности дизельных топлив емкостными датчиками./ Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей.// Тезисы докладов постоянно действующего научно-технического семинара стран СНГ, С.Петербург, 1993, С.34.

12. Кондраль А. Е., Кожушко В. К. Определение оптимального режима работы емкостного датчика обводненности дизельного топлива. /Ученые и специалисты - народному хозяйству области.// Тезисы докладов областной научно-технической конференции. - Могилев. - 1993. -С.56.

13. Карташевич А. Н., Кожушко В. К., Кондраль А.Е. Определение обводненности дизельных топлив емкостными методами./Повышение надежности сельскохозяйственной техники// Сб. науч. трудов. - Горки. -1994,- С. 15...20.

14. Карташевич А.Н., Кондраль А.Е. Исследование системы контроля степени обводненности дизельного топлива. // Агропанорама. -2000. -№2.-С. 11... 14.

15. Карташевич А. Н., Кондраль А. Е. Повышение надежности системы топливоподачи дизельного двигателя/ Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов АПК // Материалы международной научно-технической конференции. - Минск. - 1997. - С. 74...75.

16. Каргашевич А. Н., Кондраль А. Е. Исследование эффективности очистки топлива в электрическом поле./Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей/Лсзисы докладов постоянно действующего семинара стран СНГ. С. - Петербург. - 1997. - С. 86...87.

17. . Карташевич А. Н., Кондраль А. Е. Определение экономической эффективности системы защиты топливной аппаратуры дизелей от воды./ Актуальные проблемы механизации сельскохозяйственного производства.// Сб. науч. трудов. - Горки, 2000. - С.54... 59.

РЕЗЮМЕ

КОНДРАЛЬ Александр Евгеньевич ЗАЩИТА ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ОТВОДЫ

Ключевые слова: дизельный двигатель, эмульсия воды в топливе, фильтр, неоднородное электрическое поле, очистка топлива, математическая модель.

Объект исследований - система подачи топлива автотракторных дизельных двигателей.

Цель работы - разработка системы автоматической защиты топли-воподающей аппаратуры от воды.

Метод исследования и аппаратура. Проводились лабораторные исследования новой конструкции фильтра и системы контроля концентрации воды в топливе. Для определения содержания воды в топливе и распределения капель по размерам применялся оптический метод. Измерение оптической плотности эмульсии проводилось спектрофотометром СФ-46, расход топлива - расходомером, В измерительной схеме для исследования емкостного датчика использовались осциллограф С1-118, милливольтметр В7-27А/1, прибор измерительный Е12-2.

Полученные результаты и нх новизна. Исследована эффективность водоотдедения серийного фильтра грубой очистки топлива. Установлена теоретическая зависимость эффективности очистки топлива от воды в неоднородном электрическом поле. Определено сочетание конструктивных параметров фильтра, которое обеспечивает высокую степень очистки топлива. Разработан комплекс устройств, обеспечивающих повышение надежности работы ТА путем предотвращения поступления в систему подачи топлива обводненного топлива. Определено входное напряжение системы контроля содержания воды в топливе. Проведены исследования предлагаемой конструкции фильтра-отстойника.

Результаты исследовании приняты к использованию на "Гомельском заводе пусковых двигателей" при разработке перспективных конструкций дизелей малой мощности и Витебским ССП для установки на автотракторные двигатели тракторов, эксплуатируемых в концерне Белме-лиоводхоз.

Область применения. Результаты исследований могут быть использованы для модернизации существующих систем подачи топлива, а так же при создании новых дизельных двигателей.

РЭЗЮМЭ

КЛНДРАЛЬ Аляксандр Яугенашч

АБ АРОНА ПАЛ1УНАЙ АПАРАТУРЫ А^ТАТР АКТ АРНЫХ ДЫЗЕЛЯУ АД ВАДЫ

Ключавыя словы: дызельны pyxaвiк, эмульия вады у палше, фгльгр, неаднароднае электрычнае поле, ачыстка патва, матэматычная мадэль.

Аб'акт даследванняу - сктэма падачы пал!ва атдатракгарных дизельных рухавкоу.

Мэта работы - распрацоука астэмы аутаматычнай абароны апара-туры падачы пал1ва ад вады.

Метад даследвання 1 апаратура. Праводзшся лабараторныя дас-ледванш новай канструкцьп фшьтра 1 сктэмы кантроля канцэнтрацьи вады у палше. Дзеля вызначэння канцэнтрацьи вады у пал1ве 1 размерка-вання капель па памерах в и кары стоу вауся ашычны метад. Вимярэпне аптычнай шчыльнасщ эмульсн праводзшася спектрафатометрам СФ-46, расход палева ~ расходамерам. Дзеля даследвання емкаснага датчыка выкарыстоувауся асдылограф С1-118 мшвальтметр В7-27А/1, прыбор вымеральны Е12-2,

Атрыманыя вынца 1 гх нашзиа. Даследвана здольнаспь водаатд-зялення сярыйнага фшьтра грубай ачыстш пал1Ва. Установлена тэарэ-тычная залежнасць эфектыунасщ ачыстш патва ад вады у неаднародным электрычным шт. Вылучана спалучэнне канструктыупых параметрау фшьтра, якое забяспечвае высокую ступень ачыста пал1ва. Распрадован комплекс мерапрыемств, забяспечваючых павышэнне трывалаыд работы палаши апаратуры шляхам прэдухшення паступлення у «стэму падачы пaлiвa абвадненага палева. Вылучана уваходнае напруджанне ыстэмы кантроля канцынтрацьп вады у пал!ве. Праведзены даследвакш прапано-ванай канструкцьп фшьтра.

Выниа даследвання прыняты да выкарыстания на "Гомельсюм за-водзе пускавых рухавжоу" пры распрацоуцы першпектыупых канструк-цый дызеляу малой магутнасщ 1 Вщебсым ССП канцэрна "Белмел1явадгас".

Вобласць выкарыстания. Вышш дасследвання могуць быць выка-рыстаны для мадэршзацьп ¡снуючых сютэм падачы па;пва, а таксама пры утварэнш новых дызельных рухавшоу.

SUMMARY

KONDRAL Alexander Eugenievich PROTECTION OF FUEL INSTRUMENTATION OF DIESEL ENGINES AGAINST WATER

Keywords: a diesel motor, emulsion of water in fuel, filter, inhomogene-ous electrical field, clearing of fuel, mathematical model.

Object of researches - the fuel system of auto tractor diesel motors.

The purpose of the research work - is to develop the system of automatic protection of fuel-delivery instrumentation from water.

Research method and equipment. The laboratory research of a new design of the filter and the monitoring system of water concentration in fuel were conducted. The optical method was applied to define water content in fuel and the distribution of drips in the size. The measurement of the optical density of emulsion was conducted by a spectrophotometer CO-46, propellant consumption - consumptionmeter. In measuring circuit to research the transducer capacity the oscillograph Cl-118, a millivoltmeter B7-27A/1, device measuring El2-2 were used.

The obtained results and their novelty. The efficiency of water separation of a production metal-disc fuel filter is investigated(studied). The ideal relation of efficiency of fuel clearing to water in non homogeneous electrical field is established. The combination of design data of the filter is determined, which provides a high level of fuel clearing. The complex of devices ensuring a reliable augmentation of activity by preventing the receipt(entry) in the fuel system of encroached fuel is designed. The input voltage of the monitoring system of water content in fuel is determined. The researches of a tendered design of a filter - sump is conducted.

Research results are introduced an " the Gomel plant of starting engines " in mining developing future designs of diesel low-power engines.

Sphere of application. The outcomes of researches can be utilised for retrofit of present fuel systems, and for the development of new diesel engines.