Повышение долговечности топливной аппаратуры ДВС путём повышения качества очистки дизельного топлива

Разработан и опробирован фильтр очистки топлива ДВС, содержащий качественно новый фильтрующий элемент, изготовленный на основе пористого фторопласта-4. Использование этого фильтра обеспечивает полное удаление эмульгированной воды, практически полную очистку от частиц механических примесей, размер которых превышает 10 мкм, что улучшает полноту сгорания топлива, повышает КПД двигателя, снижает расход топлива и резко уменьшает концентрацию вредных выбросов.

Developed and tried out engine fuel filter, containing a new filter element manufacture based on porous PTFE 4. This filter provides complete removal of emulsified water, almost complete clearing of solids particles larger than 10 microns, which improves the completeness of combustion of fuel, increases engine efficiency, lower fuel consumption and dramatically reduces the concentration of harmful emissions.

Надежность дизельных двигателей сельскохозяйственной техники определяется в первую очередь безотказностью топливной аппаратуры, около 50% отказов которой происходит вследствие загрязненности топлива [1]. Загрязнениями топлива являются вода, продукты коррозии резервуаров и трубопроводов, механические примеси и продукты окисления углеводородов топлива, образующие нерастворимые вещества. Важнейшим требованием к чистоте топлива является отсутствие в нем воды. Углеводородное топливо гигроскопично. Вода в углеводородных топливах находится в свободном состоянии, в виде водотопливных эмульсий и в растворенном состоянии. Для повышения надежности топливной аппаратуры необходимо, в первую очередь, удалять эмульсионную воду. [2]. С целью уменьшения износа деталей двигателя, снижения расхода топлива, повышения стабильности работы двигателя, необходима качественная подготовка топлива.

Известен ряд способов отделения свободной воды от нефтепродуктов, основанных на химических, физических и физикохимических процессах. Широкое распространение при обезвоживании нефтепродуктов получили методы, основанные на применении пористых перегородок (фильтрационные методы). Применение фильтров-сепараторов для обезвоживания нефтепродуктов обладает многими преимуществами по сравнению с другими методами: из нефтепродуктов можно одновременно удалять свободную воду и твердые частицы загрязнений, используя при этом только кинетическую энергию потока очищаемого продукта без применения посторонних источников энергии, что значительно расширяет область применения фильтров-сепараторов [3].

Сопоставление физико-химических свойств пористых материалов на различной основе показал, что наименьшей поверхностной энергией, определяющей смачиваемость и адгезионную способность материала, обладает фторопласт-4. Вместе с тем, фторопласт-4, благодаря высокой пластичности, позволяет формировать контролируемую поровою структуру, параметры которой можно варьировать в широких пределах.

В связи с этим предпринята данная работа с целью создания принципиально нового фильтра, содержащего качественно новый фильтрующий материал и имеющего существенно отличное конструктивное исполнение.

В лаборатории полимерных материалов Харьковского национального технического университета имени Петра Василенко создан фторопластовый фильтрующий элемент со следующими структурными и эксплуатационными характеристиками [4]:

• -    тонкость очистки до 10 мкм, которая обеспечивает практически полное удаление наиболее опасных частиц механических примесей с размерами в пределах 10-20 мкм;

• -    высокая объемная пористость 70-75 % обеспечивает повышенную грязеемкость фильтроэлемента и, тем самым, существенно повышает ресурс работы фильтра;

• -    полное удаление эмульгированной воды;

• -    многократная регенерируемость фильтроэлемента;

• -    полная химическая индифферентность;

• -    гидродинамически гладкая (нерифленная) наружная поверхность;

Изготовление указанного фильтроэлемента доведено до промышленной технологии. Разработаны технические условия на “Элементы фильтрующие из фторопласта-4” (ТУУ 29. 2-21219168001-2002) и организовано их серийное производство [5].

Повышение эффективности очистки топлива достигнуто не только совершенствованием фильтроэлемента, но и введением гидродинамического принципа предварительной очистки.

Традиционно конструкции автотракторных топливных фильтров обеспечивают направление потока топлива к поверхности фильтрующего элемента. В предлагаемом фильтре изменена гидродинамика потока топлива. Поток направлен тангенциально к поверхности фильтроэлемента и циркулирует в зазоре между наружной поверхностью фильтроэлемента и внутренней поверхностью корпуса фильтра. Такая гидродинамика потока обеспечивает центробежную очистку от частиц крупнодисперсных механических примесей и подход остальных примесных частиц по касательной к поверхности фильтроэлемента, что препятствует внедрению частиц в поровое пространство, а динамически гладкая поверхность фильтроэлемента способствует смыву ранее осевших частиц с его поверхности. Оба фактора обеспечивают существенное увеличение ресурса работы фильтроэлемента.

В предыдущей разработке топливного фильтра с подобным фильтрующим элементом была сделана попытка реализовать гидродинамику потока топлива, описанную выше. Циркуляция потока создавалась в зазоре между корпусом и цилиндрическим фильтроэлементом с помощью направляющего аппарата, рабочие каналы топлива у которого были выполнены по касательной к внутренней поверхности корпуса фильтра и к наружной поверхности фильтроэлемента. Для этого в донном стакане были выполнены тангенциальные проточки, но подача топлива из трубопровода к этим проточкам осуществлялась снизу. В входе экспериментов и в процессе эксплуатации данной конструкции выяснилось, что эффект циркуляции имеет место. Однако его позитивная роль сводилась к минимуму вследствие взмучивания осадка отсепарированных фильтром примесных частиц, ранее осевших в донной части фильтра, восходящим потоком свежих порций топлива из-за нижней его подачи через отстойную камеру. При такой подаче топлива поток жидкости не только циркулировал, но и одновременно восходил по спирали вверх.

В реализованной здесь конструкции направляющий аппарат расположен в верхней части фильтра. При таком расположении направляющего аппарата поток жидкости циркулирует по спирали вниз и, уходя через фильтрующий элемент, не достигает камеры отстойника, что полностью устраняет принудительное взбалтывание осадка. Это существенно (в 2-2,5 раза) повысило ресурс работы фильтроэлемента.

На рис. 1 показан общий вид топливного фильтра.

Рис. 1. Схема фильтра-сепаратора.

Фильтр включает корпус, состоящий из крышки 1 и стакана 2. Подвод исходного и отвод очищенного топлива производился через штуцеры крышки 1 (направление движения топлива указано стрелками). В крышку 1 впрессован направляющий аппарат 3, в канавке которого установлен фильтроэлемент 4, выполненный в форме стакана. Наружный диаметр направляющего аппарата близок (но несколько меньше) к внутреннему диаметру стакана 2. На боковой поверхности направляющего аппарата выполнены косые проточки прямоугольного сечения. Эти проточки расположены под углом приблизительно 45° к оси направляющего аппарата. Прохождение топлива через проточки направляющего аппарата формирует циркуляционный поток. На торцевой поверхности направляющего аппарата выполнен кольцевой паз, предназначенный для установки и уплотнения фильтроэлемента 4. Наружный диаметр паза на 1,5-2% меньше наружного диаметра фильтроэлемента, а внутренний диаметр паза на 1,5-2% больше внутреннего диаметра фильтроэлемента. Таким образом, при установке фильтроэлемента в паз часть стенки фильтроэлемента, входящая с натягом в паз, пластически деформируется за счет пластического сжатия поровых каналов, что обеспечивает надежную герметизацию места соединения фильтроэлемента с направляющим аппаратом. Фильтроэлемент со стороны дна через тарелку - отражатель 5 поджат пружиной 6, что препятствует возможной разгерметизации фильтроэлемента при вибродинамических нагрузках фильтроэлемента. Отражатель установлен с диаметральным зазором 2-3мм относительно стакана 2. Объем между отражателем и дном стакана формирует камеру отстойника. Такое конструктивное решение камеры отстойника препятствует выходу отстоя в рабочую зону фильтрации при значительных колебаниях всей конструкции в целом.

Для ДВС мощностью до 100 л.с. габаритные размеры фильтра в сборе: диаметр наружный стакана -45 мм; высота - 110 мм.

Несмотря на существенную стоимость фторопласта-4, используемого в качестве сырья при производстве фильтроэлементов, стоимость очистки топлива одним таким фильтроэлементом при полной выработке его ресурса (с учетом многократной регенерации) в 2-3 раза ниже, чем при использовании нескольких фильтров с бумажными фильтрующими элементами.