Systemy filtrowania powietrza w układach zasilania silników spalinowych maszyn roboczych 7

Transkrypt

1 Jerzy Kaszkowiak 1, Sylwester Borowski 2, Ewa Kaszkowiak 3, Edmund Dulcet 4, Marcin Zastempowski 5, Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy Lubomir Hujo 6 Slovenska PolnohospodarskaUniverzita v Nitre Systemy filtrowania powietrza w układach zasilania silników spalinowych maszyn roboczych 7 Silniki spalinowe do swojego funkcjonowania potrzebują oprócz paliwa powietrza, a w zasadzie tlenu. Jest to niezbędny czynnik umożliwiający poprawną realizację procesu spalania paliwa w silniku. Dostarczanie optymalnej ilości powietrza jest warunkiem uzyskania zakładanej mocy i racjonalnego zużycia paliwa. Do silnika najczęściej dostarczane jest powietrze w ilości przekraczającej stechiometrycznie obliczone zapotrzebowanie na realizację procesu spalania co jest to niezbędne ze względu na nierównomierne rozprowadzenie paliwa w objętości komory spalania oraz uniknięcie pozostawienia niespalonych resztek paliwa w spalinach. Wielkością określającą stosunek ilości powietrza dostarczanego do komory spalania w stosunku do teoretycznego zapotrzebowania na powietrze potrzebne do zupełnego spalenia paliwa jest współczynnik nadmiaru powietrza [1]. Oprócz zapewnienia dostatecznej ilości powietrza bardzo ważnym z punktu widzenia trwałości silnika jest czystość doprowadzanego powietrza. Zanieczyszczenia, które znajdują się w powietrzu to głównie zanieczyszczenia gazowe oraz mechaniczne. Ich rodzaj jest uzależniony od miejsca i warunków eksploatacji silnika. W powietrzu zasysanym do filtra powietrza w pojeździe poruszającym się drogą utwardzoną zapylenie może być mniejsze niż 1 kg 10-6 /m 3. W przypadku wykonywania prac ziemnych (w tym uprawy roli), ilość pyłów mogą przekraczać 10 kg 10-4 /m 3. W szczególnych przypadkach wartość ta może być zwielokrotniona (np. w obszarach skażonych pyłami przemysłowymi). Również w przypadku intensywnych prac rolniczych oprócz zapylenia wynikającego z cząstek gleby występuje znaczna ilość zanieczyszczeń pochodzenia roślinnego o wymiarach niejednokrotnie przekraczających kilka cm (rysunek 1). Rozkład granulometryczny gleb, jest jednym z najważniejszych parametrów opisujących gleby[2], a jego wyznaczanie rozkładu stało się powszechną analizą niezbędną do oceny gleby podczas badań, jak i z praktycznego punktu widzenia przy ocenie wpływu cząstek gleby na silniki maszyn rolniczych[3]. Fazę stałą gleby stanowią cząstki mineralne, organiczne i organiczno-mineralne o różnym stopniu rozdrobnienia [4]. Frakcje dzielą się na dwie grupy: części szkieletowe (składające się z dwóch frakcji: kamieni i żwiru) i części ziemiste dzielące się na trzy zasadnicze frakcje: piasku, pyłu i iłu (określanego często jako części spławialne). Frakcje kamieni i żwiru zaliczane do części szkieletowych gleby, składają się przede wszystkim z odłamków skał macierzystych i okruchów minerałów. Frakcja piasku składa się głównie z okruchów 1 Dr inż. J. Kaszkowiak, Kierownik Zakładu, Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Maszyn Roboczych 2 Dr inż. S. Borowski, Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Maszyn Roboczych 3 Dr inż.ewa Kaszkowiak Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy Wydział Rolnictwa i Biotechnologii, Katedra Agrotechnologii 4 Prof. dr hab. inż. Edmund Dulcet Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Maszyn Roboczych 5 Marcin Zastempowski Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Maszyn Roboczych 6 Lubomir Hujo Kierownik Katedry Slovenska PolnohospodarskaUniverzita v Nitre Technicka Faculta, Katedra Dopravy a manipulacie 7 Artykuł recenzowany.

2 kwarcu i otoczonych ziaren pierwotnych minerałów skałotwórczych, a frakcja pyłu składa się przede wszystkim z ziarenek kwarcu i krzemionki. Do frakcji ilastej zalicza się natomiast produkty wietrzenia minerałów pierwotnych z grupy kaolinitu, illitu, montmorylonitu, koloidy próchnicy i związki organiczno-mineralne. Utwory glebowe ze względu na skład granulometryczny dzieli się na równoziarniste (przy przewadze jednej frakcji) lub różnoziarniste (gdy udział poszczególnych frakcji jest względnie wyrównany gliny). Wszystkie części składowe gleby mogą oddziaływać niekorzystnie na elementy silnika, zarówno w przypadku dostania się do komory spalania z powietrzem z układu zasilania jak i poprzez układ odpowietrzania skrzyni korbowej do oleju silnikowego. Rys. 1. Ciągnik rolniczy podczas pracy Źródło: zdjęcie własne Filtry powietrza stosowane w pojazdach mają za zadanie zatrzymanie zanieczyszczeń zawartych w powietrzu i niedopuszczenie do dostania się ich do silnika. Cel i metody badawcze W zależności od specyfiki pracy pojazdu lub maszyny stosuje się zróżnicowane konstrukcje filtrów powietrza. Ich budowa uzależniona jest od przewidywanej ilości zanieczyszczeń znajdujących się w środowisku pracy. Najkorzystniejsze warunki pracy mają pojazdy poruszające się po drogach utwardzonych, gdzie wprawdzie występują najczęściej wszelkie rodzaje zanieczyszczeń, ale ich ilość jest umiarkowana. W takich przypadkach stosuje się najczęściej filtry jednostopniowe, z wymiennymi wkładami papierowymi. W warunkach większej ilości zanieczyszczeń stosuje się systemy filtrowania powietrza bardziej rozbudowane, niejednokrotnie wielostopniowe. W pracy przedstawiono najczęściej stosowane w pojazdach i maszynach rozwiązania filtrów powietrza, a ich parametry podano według dostępnych informacji. Celem artykułu było przedstawienie szerokiej gamy systemów filtrowania powietrza i ich właściwości oraz przydatności w poszczególnych warunkach pracy. Grupy filtrów podzielono w zależności od warunków otoczenia pracy silnika, a szczególnie ilości i rodzaju zanieczyszczeń zawartych w filtrowanym powietrzu. Wprowadzono podział warunków na trzy stopnie: łatwy, gdzie wielkość oraz ilość zanieczyszczeń jest minimalna (np. pomieszczenia zamknięte, bez źródeł pyłu), przeciętny, gdzie wielkość zanieczyszczeń oraz ich ilość są typowe dla większości pojazdów, oraz trudne, gdzie ilość, wielkość lub charakter zanieczyszczeń stwarza szczególnie duże zagrożenie dla silników.

3 Wyniki badań Pomimo, iż środowisko pracy w warunkach upraw polowych uznawane jest za jedno z bardziej niekorzystnych ze względu na zanieczyszczenie powietrza, to często w układach filtrowania powietrza małych maszyn i urządzeń spalinowych wykorzystuje się proste filtry z niewymiennymi wkładami. Filtry te najczęściej jako element filtrujący wykorzystują gąbkę, lub wióry stalowe nasączone olejem dla skuteczniejszego zatrzymywania zanieczyszczeń. Zastosowanie takich filtrów podyktowane jest przede wszystkim chęcią obniżenia kosztów zakupu jak i eksploatacji, gdyż filtry te wymagają jedynie okresowego oczyszczenia (umycia) i ponownego nasączenia. Zanieczyszczenia, które te filtry zatrzymują mają najczęściej rozmiary kilku lub kilkunastu milimetrów (źdźbła traw, liście). Filtry tego typu stosowane są najczęściej w silnikach napędzających kosiarki spalinowe przeznaczone dla ogródków przydomowych lub amatorskie pilarki spalinowe. Dodatkowym argumentem pozwalającym na stosowanie takich filtrów pomimo ich stosunkowo niskiej skuteczności jest zakładana stosunkowo niska żywotność tych silników (około godzin pracy co odpowiada przy przeciętnym wykorzystaniu 6-10 lat trwałości). Widok przykładowego filtra tego typu przedstawiono na rysunku 2. Niewątpliwą jego zaletą są niskie koszty. Niekorzystnym czynnikiem jest zagrożenie dla środowiska niewłaściwie zagospodarowanymi płynami jakie stosowane są do mycia wkładów filtrujących. Dlatego coraz częściej zastępowane są filtrami z wkładami wymiennymi. Rys. 2. Filtr powietrza silnika spalinowego kosiarki Źródło: zdjęcie własne Filtry z wkładami wymiennymi stosowane są w większości pojazdów samochodowych. Dla pojazdów poruszających się przede wszystkim po drogach utwardzonych stanowią w połączeniu z wyborem miejsca zasysania powietrza, skuteczną ochronę silnika przed zanieczyszczeniami. Filtry wykonywane są najczęściej z falowanej bibuły, która może być ukształtowana w formie walca (rysunek 3) lub płaskiej (rysunek 4). Rys. 3. Wkład cylindryczny filtra powietrza silnika spalinowego, widok filtra oraz struktura powierzchni Źródło: zdjęcia własne

4 W przypadku wkładów filtrujących cylindrycznych często stosuje się wzmocnienie konstrukcji siatką stalową. Można również spotkać wkłady wymienne z wstępnym filtrem, wykonanym najczęściej z filcu. Rys. 4. Wkład płaski filtra powietrza. Źródło: zdjęcia własne. W maszynach pracujących w niekorzystnych warunkach stosuje się najczęściej filtry dwustopniowe. Pierwszym elementem, zatrzymującym duże zanieczyszczenia, są najczęściej siatki montowane bezpośrednio w miejscu pobierania powietrza. Przykład chwytu powietrza kombajnu zbożowego przedstawiono na rysunku 5. Rys. 5. Widok chwytu powietrza kombajnu zbożowego i zanieczyszczonych kanałów filtra bezwładnościowego. Źródło: zdjęcie własne. Kolejnym elementem filtrowania są filtry bezwładnościowe. Ich działanie polega na wymuszeniu ruchu cyrkulacyjnego powietrza i wyhamowaniu zanieczyszczeń o jego ścianki [3]. Filtry te najczęściej wymagają codziennego oczyszczenia specjalnego osadnika w którym zbierają się zanieczyszczenia. Przy dążeniu większości producentów do minimalizacji obsługi pojawiły się konstrukcje pozwalające na ograniczenie konieczności obsługi. Na rysunku 6 przedstawiono widok kanałów powietrznych zewnętrznych filtra powietrza ciągnika rolniczego. Kształt kanałów oraz ich rozmiary przyczyniają się do zatrzymania na zewnątrz filtra zanieczyszczeń. Rys. 6. Widok filtra powietrza z kanałami powietrznymi. Źródło: zdjęcie własne.

5 Pyły w filtrze wyhamowane zostają przez cyklony, a następnie są usuwane przez gumowy zawór. Skuteczność tego typu filtrów wynosi około 99.9% [4].Coraz częściej stosuje się trzystopniowe filtry z wymiennymi wkładami (rys. 7). Elementem dodatkowym jest filtr bezpieczeństwa, wykonany z włókniny o małym oporze przepływu powietrza, zabezpieczający on przed dostawaniem się zanieczyszczeń do silnika, gdy uszkodzeniu ulegnie główny wkład. Rys. 7. Widok filtra powietrza z wymiennymi wkładami wstępnego i dokładnego oczyszczenia. Źródło: zdjęcie własne. Skuteczność działania filtrów powietrza określają cztery parametry: skuteczność filtracji, opór przepływu, dokładność filtracji i chłonność[5]. W przypadku filtrów wyposażonych w osadnik, kryterium jest również wypełnienie osadnika pyłami[6]. Skuteczność filtracji określona jest wzorem: φ = mp md 100% Gdzie: mp-masa pyłu przepuszczona przez filtr, md- masa pyłu docierającego do filtra. Opór przepływu filtra powietrza pf określa różnicę między ciśnieniem na wlocie filtra pc a ciśnieniem na wylocie filtra pw. pf = pc pw Dokładność filtracji jest określana jako minimalny rozmiar ziarna pyłu zatrzymywanego przez filtry. Chłonność zaś określana jest masą pyłu jaką filtr zatrzymuje do chwili zapchania. Wartość tych parametrów oprócz obiektywnego opisu cech systemów filtrowania powietrza pozwala planować długość okresów między serwisowaniem filtra. Podsumowanie Właściwa konstrukcja w połączeniu z poprawną obsługą filtrów powietrza pozwala na skuteczne zabezpieczenie silnika oraz uzyskanie jego właściwych parametrów pracy. Użytkowników wspomagają coraz częściej elektroniczne systemy mierzące opór przepływu filtra a pośrednio stan jego zapchania. Konstrukcja filtrów powietrza uzależniona jest od przewidywanych warunków pracy konkretnego pojazdu lub maszyny. Te same silniki w zależności od rodzaju maszyny lub pojazdu w którym są zamontowane różnią się budową filtrów powietrza. Pojazdy i maszyny przeznaczone to pracy w warunkach małego zapylenia posiadają systemy filtrowania powietrza o mniejszej liczbie stopni filtrujących, zapewniają niskie opory przepływu i najczęściej nie wymagają obsługi między wymianami wkładów filtrujących. W maszynach i pojazdach pracujących w warunkach silnego zapylenia systemy filtrowania posiadają najczęściej budowę trzystopniową, pozwalającą na okresowe (często nawet kilkukrotną w ciągu dnia) usuwanie zanieczyszczeń w filtrze wstępnym, oraz charakteryzują się większą chłonnością.

6 Streszczenie Celem artykułu jest przedstawienie zróżnicowanych rozwiązań konstrukcyjnych filtrów powietrza stosowanych w pojazdach i maszynach w zależności od warunków pracy. Przedstawiono typowe konstrukcje systemów filtrowania powietrza oraz filtrów prostych. Właściwa praca filtra powietrza jest czynnikiem wpływającym na żywotność silnika oraz jego własności trakcyjne. Abstract Air filtration systems in power systems for combustion engines working machines This article presents the different construction solutions of air filters for use in vehicles and machines depending on the job. Shows a typical constructions of air filtration systems and filters simple. Correct air filter work is a factor which influences the lifetime of the engine and the driveability. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Bernhard M., Dobrzański S., Loth E., Silniki samochodowe, WKIŁ, Warszawa, [2]. Dziubak T., Problemy filtracji powietrza zasysanego do silników spalinowych pojazdów mechanicznych, Biuletyn WAT Warszawa nr 3/2006 [3]. Mocek A., Drzymała S., Maszner P., Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. AR Poznań [4]. Zawadzki S., Gleboznawstwo. PWRiL, Warszawa, [5]. Dziubak T., Kowalski W., Filtracja powietrza do silników spalinowych pojazdów mechanicznych Biuletyn WAT Warszawa, 2/2012. [6]. STG Donaldclone Air Cleanes, [7]. Baczewski K., Hebda M., Filtracja płynów eksploatacyjnych Radom 1991 [8]. Schaeffer J., Olson L., Air Filtration Media for Transportation Application, Filtration And Separation, vol