К расчету гидравлического сопротивления очистителя-нейтрализатора для систем выпуска отработавших газов машин автотранспортного комплекса

Библиографический список

1. Григорьев, М.А. Очистка топлива в двигателях внутреннего сгорания / М.А. Григорьев, Г.В. Борисова. - М. : Машиностроение, 1991. - 208 с.

2. Кадыров, С.М. Долговечность автотракторных дизелей в условиях Средней Азии / С.М. Кадыров. - Ташкент : Изд-во «Укитувчи», 1982. - 270 с.

3. Патент 2257487 РФ / Э.И. Удлер, С.А. Зыков, А.В. Исаенко; опубл. 27.07.2005, бюл. № 21, 6 с.

4. Хаппель, Д. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса / Д. Хаппель, Г. Бреннер. - М. : Мир, 1976 - 630 с.

E.I. UDLER, S.A. ZYKOV, V.D. ISAENKO, A.V. ISAENKO

DUST DETECTOR FOR FUEL DIESEL SYSTEMS OF BUILDING AND ROAD MACHINES

The results of laboratory tests made by the inventors of oil dust detector for the detention of atmospheric dust under «breath» of fuel tanks of road and building machines are given in the article.

УДК 629.113:66.067-532.54/55

П.В. ИСАЕНКО, канд. техн. наук,

В.Д. ИСАЕНКО, канд. техн. наук, доцент

К РАСЧЕТУ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОЧИСТИТЕЛЯ-НЕЙТРАЛИЗАТОРА ДЛЯ СИСТЕМ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ МАШИН АВТОТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА

В работе рассматривается задача определения гидравлических сопротивлений взаимосвязанных элементов модельной конструкции очистителя-нейтрализатора отработавших газов машин с бензиновыми двигателями, разработанной на базе стандартного глушителя шума и оснащенной СВС-фильтроэлементами. Установлено, что общее сопротивление очистителя-нейтрализатора не превышает сопротивления газов штатного глушителя шума автомобиля ЗИЛ-130.

С открытием и дальнейшим развитием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-технологии) появилась возможность изготовления достаточно дешевых нейтрализаторов отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС), которые в отличие от известных каталитических нейтрализаторов не предполагают в составе фильтровального материала присутствия элементов платиновой группы [1, 2, 3].

В ТГАСУ методом электротеплового взрыва получен СВС-материал с регулируемой пористой структурой [4]. Как показали моторные испытания,

такой материал может успешно применяться в виде фильтроэлементов (ФЭ), устанавливаемых в выпускной тракт машин, оснащенных бензиновыми ДВС. При разработке модельного образца было принято: поскольку ОГ ДВС представляют собой многокомпонентную смесь, конструктивно он должен иметь две последовательные ступени: механическую для очистки ОГ от примесей механического происхождения и окислительную для нейтрализации таких опасных для здоровья веществ, как окислы углерода (СО) и углеводороды (СН). Исходя из технико-экономической и экологической целесообразности, за основу модельного очистителя-нейтрализатора (ОН) был принят штатный глушитель шума автомобиля ЗИЛ с его габаритными размерами. Схема такого ОН представлена на рис. 1.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Рис. 1. Схема очистителя-нейтрализатора для машины с бензиновым ДВС:

1, 22 - впускной и выпускной патрубки с фланцами; 2, 10, 23 - манометры; 3, 21, 31 - термоэлектрический преобразователь; 4, 9 - утеплитель; 5 - конус; 6 - болты крепления; 7 - корпус; 8 - экран; 11, 13,15,17,19 - ступица; 12,14,16, 18, 20 - сквозные прорези в ступицах; 24, 26 - уплотнительные кольца; 25, 27, 28, 29, 30 - СВС-элементы окислительной ступени; 32 - первая ступень механической очистки; 33 - СВС-элемент механической ступени; 34 - перегородка; 35 - винт крепления; 36 - приемная камера; 37 - термоэлемент

Первоочередная задача исследования возможности и эффективности использования в качестве фильтрационного СВС-материала из конденсированной смеси «титан + углерод + тетраборнокислый натрий» заключалась в определении начального гидравлического сопротивления модельного образца (МОН) при прохождении через него ОГ с тем, чтобы его суммарное сопротивление сравнить с допускаемой величиной для стандартных глушителей по ОСТ 24.046.10-82. Для этой цели разработана методика, позволяющая на стадии проектирования рассчитать потери давления ОГ во всех элементах модельной конструкции.

Схема МОН для расчета потерь давления ОГ представлена на рис. 2.

Рис. 2. К расчету местных сопротивлений в очистителе-нейтрализаторе:

Нф - общая длина глушителя (ОН); Н. - длина распределительной камеры; Н - длина очистительной камеры; Н2 - длина механической ступени (соответствует высоте ФЭ); Н3 - длина окислительной ступени; ДН - зазор между механической и окислительной ступенями; <п - диаметр входного и выходного патрубка; <м - внутренний

диаметр ФЭ механической ступени; <э - диаметр выходного окна экрана; <Н , <Н ,

< ’, <1 - наружные и внутренние диаметры ФЭ первого и второго ряда соответственно; Бф - диаметр глушителя по внутренней стенке

Методика расчета гидравлических сопротивлений конструктивных элементов очистителя-нейтрализатора

При расчете гидравлических потерь ОН использовались общие выражения из динамики движения жидкостей и газов [5, 6, 7]. Потери давления оценивались последовательно по току ОГ через ОН (течение принималось ламинарным).

Потери давления во впускном патрубке Потери на трение определяются по формуле Дарси-Вейсбаха

Др. =? <

<п 2

где С,. - коэффициент потерь на трение газа о стенки патрубка; & - скорость движения газов в патрубке; р - плотность ОГ; 1п - длина патрубка.

Значение для газопроводов невысокого давления (порядка 5000 Па) рекомендуется определять по формуле Альтшуля

С. = 0,11

• + '

<п Яе

п

где Дэ - шероховатость внутренней стенки патрубка; ^ - диаметр патрубка. После подстановки (2) в (1) и преобразования получим

Др1 = 0,055

/ \ 0,25 2

^ + 68 1 р321п

Яе

с1„

Сопротивление входа в корпус фильтра Вход газа в корпус следует рассматривать как внезапное расширение потока. Потери давления в этом случае определяются по формуле Вейсбаха

о2

ДР 2 _С 2— Р .

где ^ 2 - коэффициент местных потерь.

При входе потока. обладающего малой вязкостью. в трубопроводы с малым диаметром коэффициент ^ 2 может быть определен по выражению Вюста

. _ ,252 _ Яе .

Для малых чисел Яе получаем

ДР2 _ 12.6 .

В предлагаемом варианте ОН на входе в корпус имеется конус (для подогрева ОГ внутри конуса). который создает определенное сопротивление движению потока. В этом случае ^ 2тт _ 0.4-0.5 при Н/<п = 0.15-0.2 (где Н -

расстояние до конуса). Тогда

р-г2

Др2 _ 0.365

где Р - угол натекания потока на конус.

Сопротивление корпуса фильтра

Потери на трение в корпусе следует рассматривать как для эквивалентной трубы. гидравлический радиус которой равен

2

* 4 Бф + ’

< _ 4К _ (Бф -(< °)2 У

^ _ ф _ Бф + ^ .

Потери давления на трение определяются по известной формуле Дарси-Вейсбаха для ламинарного режима. Учитывая. что числа Рейнольдса в корпусе ОН невелики. можно записать в соответствии с [7] для механической ступени:

( н ^

1 - 0,5 2

ЬРм =

128ир

пБ

ф

пБф пЛ 2

4 4

Соответственно, для окислительной ступени:

в:

Н з

(

АРо =

128ир

Н з

пБф

пБ2

п(Н)2

При равенстве = Л Н суммарные потери в корпусе составят

(

АРз =

128ирв

Н -

1 - 0,5

Н 2

Н з

"Н -АН)) Н 3 [1 0,5

пБф

Вф -ЙН) п

В + л Н п

Сопротивление в корпусе между ступенями очистки газов

Вход потока ОГ из механической ступени в полость между первой и второй ступенями очистки газов можно рассматривать как внезапное расширение потока при натекании на преграду.

При отношении величины зазора между преградой и выходным отвер-

АН

стием потока к его диаметру, т.е. -= 0,1 - 0,2 , коэффициент сопротивления

Л э

^ может быть принят равным 1,5 [5]. Тогда

АР 4 =С

р£2

2

= 0,75

РІ

Л 4

Сопротивление входа в окислительную сту-пень через окна ступиц

Течение газов через окно может быть приравнено к течению через отверстие в тонкой стенке. В этом случае потери давления можно найти из вы-

ражения расхода в = ц • /

,откуда

Ар> =5

2ц212 Ь2 п

где ц - коэффициент расхода, зависящий от формы кромок отверстия и полноты сжатия потока.

п

п

4

4

Для данной конструкции окна имеют продолговатую форму, и по окружности их четыре. Площадь их сечения соответствует площади сечения входного патрубка. В этом случае коэффициент расхода можно принять равным 0,96.

Коэффициент ^ для малых Яе можно определить из обобщенной формулы А. Альтшуля

А

С 5 = ^ + С Яе2

Для внезапного расширения А2 = 30, ^ 2 = 1. Число Яе и скорость газа,

отнесенная к нестесненному сечению, равны Яе2 = -

УБ

пБ2

Подставляя (12) и (11), получим коэффициент ^ 5 =

30ипБ

ф

46

ри давления в этом местном сопротивлении

(

АР 5 =

23,55-

ф

Л

+1

212 Ь2 пц2

+1 и поте-

где I, Ь - длина и ширина окна; п - число окон.

Сопротивление фи льтроэлементо в Для объемного ФЭ в виде полого цилиндра сопротивление потока газа можно найти по формуле

( Я \

АРб =

-1п

где пфэ - количество ФЭ длиной И,; Ян, - наружный и внутренний диаметры

ФЭ; К - коэффициент проницаемости пористой структуры.

В предлагаемой конструкции ОН общее число ФЭ п = 11. Однако они имеют разные диаметры и коэффициент проницаемости. Используя результаты предварительных лабораторных испытаний СВС-материалов [8], сопротивление ФЭ механической ступени, для которой К = 2,41, а пфэ = 1, составит

Ар6* = 0,159 р-и-6 1п И. - К м

Я в

Для окислительной ступени первого ряда при К = 5,26 и пфэ = 5 сопротивление составит

Ар6 = 0,0318 р-и-6 1п

6 И. - к 1

Аналогично для второго ряда ФЭ

АРб = 0,0318

( Л

1п

И, - К11

Тогда суммарное сопротивление всех ФЭ

Я

2

и

н

Ар 6 = Арм +Ар 6 + Ар6 = 0,0318 Р'и' @ х

0,2389, 1п (*м Л 1 ( *1 ' 1 ( * 11 ^

+ 1п + 1п

К м * м Кав V К1 1 * в V К11 1 * В1 V

зазоре

второго

Сопротивление в кольцевом фи льтроэлементами первого и окислительной ступени

Расчет потери давления при ламинарном течении газа через кольцевую щель рассчитывается по выражению

12и-р-Ьщ • О 2п(й ( - йнп )3

где Ьщ - длина щели, соответствующая длине второй окислительной ступени ФН; £ - ширина кольцевой щели.

Перепишем (19) в другом виде

и • р • Ь,„ • О Др7 = 1,91- щ

АР7 =-

между

ряда

(*В- * Н33

Потери давления в выпускном патрубке Потери давления определяются по формуле Дарси-Вейсбаха по аналогии с рассчитанными для входного патрубка при ламинарном режиме истечения ОГ

(

Ар8 = 0,055

+

68

V

Яе

ра 2К

Таким образом, суммарные потери давления в системе выпуска ОГ машин при установке вместо штатного глушителя ОН составят

АР = X Ар‘ = Ар1 + Ар2 + АРз + АР4 + АР5 + АРб + АР7 + АР8 •

х

І=1

Пример расчета начального сопротивления очистителя-нейтрализатора

По аналитическим зависимостям (3)-(22) произведен расчет гидравлических потерь в ОН, выполненный на базе глушителя автомобиля ЗИЛ-130. Исходные данные представлены в табл. 1. В табл. 2 даны результаты расчета.

Видно, что при максимальном расходе ОГ общее сопротивление ФН Др = 11923,7 Па, что составляет 96-98 %. Благодаря большим поперечным сечениям проходных каналов сопротивление их минимально.

По ОСТ 24.046.10-82 сопротивление штатных глушителей шума ОГ транспортных машин составляет от 4000 до 14700 Па при потере мощности двигателя внутреннего сгорания от 1 до 3 %. Результаты табл. 1 свидетельствуют, что сопротивление ОН с содержанием набора ФЭ из пористого карбида титана не выходит за пределы, указанные в ОСТе. Сопротивление может быть еще меньше при оптимизации конструктивных элементов ОН.

Таблща і

Формулы її условии определения начального сопротивления СВС-очистителя-нейтралїсатора для системы выпуска отработавших газов автомобиля ЗИЛ-130

102______________________________________________________________________________________________________П. В. Исаенко, В.Д. Исаенко

Таблица 2

Результаты расчета начального сопротивления СВС-очистителя-нейтрализатора для системы выпуска отработавших газов автомобиля ЗИЛ-130 при кинематической вязкости и = 1,5  10 6 м2/с

Вид сопротивления Обозна- чение формулы по табй. 1 Перепад давления газов, Па Распределение потерь язвления:

при і2 = 0,04 м?/с при д = 0,095 м?/с

Входной патрубок Щ (3) 0,061 0,256 0,00123-0,0021

Вход в корпус АРг (б) 9,12 57,0 0,184-0,48

Корпус очистителя- нейтрализатора Ар, (9) 0,00013 0,0034 0,00-0,00

Зазор между механической ж окислщ'едьной ступенями ІЩ. (10) 15,0 93,7 ;0,30-0,78

Окна ступиц Ар5 (13) 40,0 250,0 0,80-2,10

Фильтроэлементы механической ступени ш (15) 3006,0 7515,0 60,65-63,02

Фильтроэлементы первого ряда окислительной ступени щ (16) 757,2 1183,0, 9,92-15,28

Фильтроэлементы второго ряда окислительной ступени (17) 1125,0 2812,0 22,67-23,58

Кольцевой зазор между рядами окиеаштелшой ступени Ар7 (19) 3,58 8,92 0,072-0,075

Выходной патрубок £ 00 (21) 0,061 0,256 0,00123-0,0021

Суммарные потери Ар (22) 4956$ 11923,7 100

104______________________________________________________________________________________________________П. В. Исаенко, В.Д. Исаенко

Изменение перепада давления ОГ в ОН в зависимости от расхода и вязкости представлено на рис. 3.

0 0,01 0,02 0,03 0,04 бФ, м3/с

Рис. 3. Расчетные зависимости перепада давления отработавших газов автомобиля в очистителе-нейтрализаторе при различной вязкости:

1 - и = 0,5 • 10 -6 м/с; 2 - и = 1,5-10 -6 м2/с; 3 -и = 2,5-10 -6 м2/с

Таким образом, разработанный модельный образец очистителя-нейтрализатора, включающий в качестве рабочего органа пористые ФЭ, полученные по СВС-технологии, по своим гидравлическим параметрам удовлетворяет требованиям ОСТ 24.046.10-82 и может служить для установки его в системе выпуска отработавших газов машин, оснащенных бензиновыми двигателями.

Библиографический список

1. Мержанов, А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений / А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская // Докл. АН СССР. - 1972. -Т. 204. - № 2. - С. 20-23.

2. Новоселов, А.Л. Совершенствование очистки отработавших газов дизелей на основе СВС-материалов / А.Л. Новоселов, В.И. Пролубников, Н.П. Тубалов. - Новосибирск : Наука, 2002. - 96 с.

3. Бош. Автомобильный справочник: [пер. с англ.] первое русское издание. - М. : Изд-во «За рулем», 1999. - 896 с.

4. Пат. 2210461 РФ / В.Э. Борзых, С.А. Желтухин, В.А. Иванов, В.Д. Исаенко, П.В. Исаенко, ДА. Крючков; опубл. 20.08.2003, бюл. № 23, 9 с.

5. Альтшуль, А.Д Гидравлические сопротивления / А.Д Альтшуль. - М. : Недра, 1970. - 215 с.

6. Юфин, А.П. Гидравлика, гидравлические машины и гидропривод / А.П. Юфин. - М. : Высшая школа, 1965. - 427 с.

7. Удлер, Э.И. Фильтрация нефтепродуктов / Э.И. Удлер. - Томск : Изд-во Том. ун-та, 1988. -216 с.

8. Экспериментальные исследования получения пористых материалов в режиме СВ-синтеза для трегеров / В.Э. Борзых, П.В. Исаенко, О.Ю. Мудрых, Д.Ю. Плужник // Вестник ТГАСУ. - 2003. - № 1. - С. 151-155.

P.V. ISAENKO, V.D. ISAENKO

TO CALCULATION OF HYDRAULIC RESISTANCE OF CLEANER-NEUTRALIZER FOR DEFLATION SYSTEMS OF MACHINE EXHAUST GASES IN CAR-TRANSPORT COMPLEX

The problem of hydraulic resistance determination of interconnected elements in model design of cleaner-neutralizer of exhaust gases of machines with gasoline engines, developed on the base of standard muffler and equipped with filter elements is considered in the paper. It was determined that the general resistance of cleaner-neutralizer does not exceed resistance of gases of usual muffler in ZIL-130 car.