Bilim.techО проекте

Система питания воздухом: фильтры и впуск

Сколько пыли карьера доходит до цилиндров и когда менять воздушный фильтр? Меняй запыленность, наработку и высоту, продувай элемент и ослабляй хомут: смотри на индикатор засоренности, мощность и кремний в масле.

01 Что это такое

Система питания воздухом очищает от пыли около 14 тысяч кубометров воздуха в час и подает его в цилиндры. Пыль, которая прошла мимо фильтра, стирает двигатель изнутри.

Воздух карьера несет кварцевую пыль: она тверже стали гильз и колец. Сначала его закручивает предочиститель, и центробежная сила выбрасывает крупную пыль наружу. Потом бумажный основной элемент задерживает почти всю мелкую пыль, а защитный элемент за ним страхует на случай, если основной порвался. Индикатор засоренности меряет разрежение за фильтром и показывает, когда элемент пора менять. Дальше чистый воздух сжимает турбокомпрессор, охлаждает интеркулер, и через впускной коллектор он попадает в цилиндры. Как турбина держит мощность на высоте, разбирает тема 3.4.

Пыль в граммах за час на двигатель 2000 кВт10001001010,10,01700 гвоздух карьера50 мг/м³70 гпредочистительубирает 90 %0,07 госновной элементдержит 99,9 %0,035 гпосле защитногов цилиндры2,8 гесли ослаб хомутв цилиндрышкала логарифмическая: каждая линия в 10 раз меньше
Из 700 г пыли в час до цилиндров доходят сотые доли грамма. Ослабший хомут после фильтра пропускает в 80 раз больше, чем весь исправный тракт.
Δp
Разрежение за фильтром, кПа. На сколько давление после фильтра ниже наружного. Чистый фильтр около 2 кПа, менять при 6,2 кПа.
c
Запыленность воздуха, мг/м³. На мокрой дороге единицы, на сухой карьерной дороге десятки, у забоя в сухую погоду сотни.
η
Эффективность очистки, %. Какая доля пыли задержана. У предочистителя 80–95 %, у основного элемента 99,9 % и выше.
02 Опыт
Пыли, наработай фильтр, подними машину в горы. Следи за индикатором и пылинками. ПУТЬ ВОЗДУХА
ДВИГАТЕЛЬ

Куда девается пыль карьера?

Рис. 3.9

ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
Разрежение за фильтром
Мощность двигателя
Пыль в цилиндры
03 Формулы по буквам

Объем воздуха, масса пыли и одна щель

Двигателю нужна масса воздуха, а фильтр пропускает объем. Пыль копится в элементе пропорционально объему и запыленности. Числа под формулами берутся из опыта.

Почему на высоте фильтр забивается раньше?

Q = ṁ / ρ

На 4000 м воздух на треть реже. Чтобы получить те же килограммы, через фильтр приходится протянуть в полтора раза больше кубометров. Сопротивление бумаги растет вместе с объемным расходом, поэтому и разрежение больше.

Q
объемный расход воздуха через фильтр, м³/с
ṁ
массовый расход, который нужен двигателю, кг/с (здесь 3,2)
ρ
плотность воздуха, кг/м³: у моря 1,225, на 4000 м около 0,82

Сколько пыли собирает фильтр?

m = c · Q · (1 − ηп)

Каждый кубометр приносит c миллиграммов пыли. Предочиститель отбирает долю ηп, остальное садится на бумагу основного элемента. Сначала слой пыли даже помогает фильтровать, но потом разрежение растет все быстрее.

m
пыль на основной элемент, г/ч
c
запыленность воздуха, мг/м³
Q
расход воздуха, м³/ч
ηп
доля пыли, которую убрал предочиститель, от 0 до 1

Чем опасна щель после фильтра?

D = Dф + c · Q · b

После фильтра тракт под разрежением, поэтому любая щель всасывает наружный воздух вместе с пылью, мимо всех элементов. Даже доля процента такого воздуха приносит больше пыли, чем весь исправный фильтр.

D
пыль в цилиндры, г/ч
Dф
то, что прошло сквозь основной и защитный элементы, г/ч
b
доля воздуха, которая идет через щель: хомут 0,004, трещина 0,02

Когда менять фильтр и почему не продувать его бесконечно

Менять основной элемент нужно по индикатору, а не по часам и не на глаз. Снаружи элемент может выглядеть грязным, а работать хорошо: слой пыли на бумаге сам немного фильтрует. А может выглядеть чистым и уже быть порванным. Каждое лишнее вскрытие корпуса пускает пыль на чистую сторону, поэтому корпус открывают только для замены.

Продувка сжатым воздухом сбивает пыль с поверхности, но мелкие частицы остаются в глубине бумаги. После каждой продувки фильтр начинает с большего разрежения и забивается быстрее. Струя воздуха к тому же рвет поры, и сквозь бумагу начинает проходить пыль. Поэтому многие производители продувать элементы карьерных машин вообще не разрешают, а защитный элемент не продувают никогда, его только меняют.

Если пыль все же попала в двигатель, это видно в масле: растут кремний, а за ним железо, хром и алюминий от гильз, колец и поршней. Как это читать, разбирает тема «Анализ масла».

менятьновыйпосле продувокΔpчасы
Каждая продувка начинает с большего разрежения, и интервал до замены становится короче.
04 Где и зачем это применяют

Чистый воздух на ТО и в смене

Допущения модели+

Двигатель класса QSK60 на полной нагрузке, ему нужно 3,2 кг воздуха в секунду на любой высоте. Плотность воздуха по стандартной атмосфере. Разрежение чистого фильтра 2,0 кПа у моря, растет пропорционально объемному расходу и квадрату массы пыли в элементе, 6,2 кПа у моря достигаются при 20 кг пыли во всех элементах двигателя. Предочиститель убирает 90 % пыли, основной элемент пропускает 0,1 %, защитный задерживает половину того, что прошло. Каждая продувка оставляет в элементе 18 % от его пылеемкости и втрое увеличивает пропуск пыли. Турбокомпрессор дает не больше 4,6 по степени сжатия, нужное давление наддува 300 кПа, ЭБУ не дает α опуститься ниже 1,7. Кремний в масле посчитан для 220 кг масла и смены через 250 ч, в масло попадает 5 % пыли, прошедшей в цилиндры, начальный уровень 4 ppm. Числа показывают порядок величин, а нормы для своей машины берутся из руководства.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →