способ очистки отработавших газов дизельных двигателей от твердых частиц

Формула изобретения

1. Способ очистки отработавших газов дизельных двигателей от твердых частиц путем пропускания потока отработавших газов вначале через дожигатель, а затем через фильтрующий элемент, измерения давлений в потоке до фильтрующего элемента и после него, температур потока до дожигателя и после него и, если перепад давления на фильтрующем элементе превышает его заданное максимально допустимое значение, поток нагревают за счет подачи в него дополнительного топлива и сжигания в кислороде отработавших газов, если измеренная температура фильтрующего элемента больше или меньше ее заданного значения, то соответственно уменьшают или увеличивают нагрев потока за счет соответствующего регулирования расхода дополнительного топлива, в качестве максимально допустимого значения перепада давления на фильтрующем элементе принимают значения заданной функции измеренных значений относительной частоты вращения ротора двигателя и температуры потока отработавших газов до дожигателя, а в качестве заданной температуры фильтрующего элемента принимают такую температуру, при которой реализуется интенсивное горение сажи на поверхности фильтрующего элемента в кислороде отработавших газов, отличающийся тем, что измеряют объемную концентрацию кислорода в потоке отработавших газов до дожигателя и поток нагревают тогда, когда одновременно и перепад давления на фильтрующем элементе превышает его заданное максимально допустимое значение, и измеренная объемная концентрация кислорода в потоке до дожигателя превышает ее заданное минимально допустимое значение, поток нагревают до тех пор, пока перепад давления на фильтрующем элементе не станет меньше его заданного минимально допустимого значения, после этого прекращают подачу дополнительного топлива в поток, причем в качестве минимально допустимого значения объемной концентрации кислорода в отработавших газах до дожигателя принимают такую концентрацию, при которой реализуется надежное воспламенение и устойчивое горение дополнительного топлива в кислороде отработавших газов, а в качестве минимально допустимого значения перепада давления на фильтрующем элементе принимают значения заданной функции измеренных значений относительной частоты вращения ротора двигателя и температуры потока после дожигателя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют объемную концентрацию кислорода в потоке отработавших газов до дожигателя и поток нагревают тогда, когда одновременно и перепад давления на фильтрующем элементе превышает его заданное максимально допустимое значение, и измеренная объемная концентрация кислорода в потоке до дожигателя находится в заданном допустимом диапазоне, поток нагревают до тех пор, пока перепад давления на фильтрующем элементе не станет меньше его заданного минимально допустимого значения, после этого прекращают подачу дополнительного топлива в поток, причем в качестве нижней границы допустимого диапазона объемной концентрации кислорода принимают такое ее значение, при котором обеспечивается надежное воспламенение и устойчивое горение дополнительного топлива в кислороде отработавших газов, а в качестве верхней границы значения заданной функции относительной частоты вращения ротора двигателя, причем в качестве минимально допустимого значения перепада давления на фильтрующем элементе принимают значения заданной функции измеренных значений относительной частоты вращения ротора двигателя и температуры потока после дожигателя.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что если измеренная объемная концентрация кислорода в потоке отработавших газов до дожигателя ниже ее минимально допустимого значения, то подают в этот поток газ, содержащий кислород.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что расходы дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород, регулируют, поддерживая в зоне горения коэффициент избытка окислителя близким к единице с учетом измеренной объемной концентрации кислорода в потоке отработавших газов до дожигателя.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительное топливо и газ, содержащий кислород, предварительно смешивают до момента подачи их в поток отработавших газов.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что топливно-газовую смесь подогревают отработавшими газами до ввода ее в поток отработавших газов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к охране окружающей среды, а точнее к охране воздушного бассейна от твердых частиц (ТЧ), образующихся при сгорании углеводородного топлива в дизельных двигателях различных типов и назначения.

Известен способ очистки отработавших газов (ОГ) от ТЧ, в соответствии с которым поток ОГ пропускают через фильтрующий элемент (ФЭ) [1] При таком способе очистки ФЭ быстро забивается ТЧ, что сопровождается значительным ростом его гидравлического сопротивления и противодавления на выходе из двигателя, а также соответствующим падением его мощности. Это обстоятельство требует снятия ФЭ и его регенерация. Замена ФЭ вызывает большие неудобства при эксплуатации.

Недостатки рассмотренного способа устраняются в другом способе очистки, при котором регенерация ФЭ осуществляется без снятия ФЭ путем нагрева ОГ до температуры выше (550-600)^oC за счет подачи в поток ОГ и сжигания в кислороде ОГ дополнительного топлива [2]

Экономичность процесса регенерации не является оптимальной, т.к. не учитывается режим работы энергоустановки и не контролируется температура ФЭ, что может привести к перегреву и снижению его ресурса работы.

Экономичность процесса регенерации оптимизируется с учетом режима работы дизельного двигателя в способе очистки, который принять в качестве прототипа.Согласно этому способу очистки степень заполнения ФЭ ТЧ определяется по измеренным давлениям в потоке ОГ до ФЭ (P^*₁) и после него (P^*₂). При этом в электронной системе управления (ЭСУ) постоянно сравнивается вычисленный по P^*₁ и P^*₂ перепад давления на ФЭ (P^*) с его заданным максимально допустимым значением (P^*_max), которое является заданной функцией нагрузки (Md), относительной частоты вращения ротора двигателя , где n и n_max соответственно измеренные текущее и максимально допустимое значения частоты вращения ротора двигателя) и температуры потока ОГ до дожигателя (T^*₁). По сигналам датчиков Md и ЭСУ определяет соответствует ли режим работы двигателя зоне зажигания. Если режим работы двигателя соответствует зоне зажигания, а P^* больше P^*_max на этом режиме, то ЭСУ дает команду на впрыск дополнительного топлива в поток ОГ через форсунку дожигателя. Во время регенерации ФЭ по сигналам датчиков Md и ЭСУ определяет, соответствует ли режим работы двигателя зоне сгорания топлива и регенерации. По сигналу датчика температуры ФЭ (Тф) ЭСУ регулирует расход дополнительного топлива (Gт), поддерживая Тф близкой к 700^oC, т.е. такой, чтобы обеспечивалось интенсивное горение сажи на поверхности ФЭ, но, с другой стороны, не происходило перегрева ФЭ. По этому же сигналу ЭСУ определяет момент завершения цикла регенерации. Электропитание ЭСУ и электронной системы зажигания (ЭСЗ) обеспечивается от сети автомобиля 24 В. ЭСУ также осуществляет диагностику процесса фильтрации ОГ и состояние ФЭ в промежутках между процессами регенерации [3]

Из описания этого способа видно, что контроль процесса регенерации ФЭ осуществляется по приросту температуры ФЭ за счет сгорания сажи. По мере выгорания сажи этот прирост температуры снижается и при полном ее сгорании равен нулю. Поскольку режим работы двигателя при движении автомобиля удержать постоянным невозможно, то не ясно чем определяется Тф при регенерации:

в основном режимом работы двигателя и, кроме того, соответствующим ему сгоранием дополнительного топлива в дожигателе и сажи в ФЭ;

то ли частично режимом работы двигателя и преимущественно сгоранием дополнительного топлива в дожигателе и сажи;

то ли частично режимом работы двигателя и в основном только сгоранием дополнительного топлива без учета добавки в температуре ФЭ за счет сгорания сажи.

Т. е. момент завершения процесса регенерации ФЭ в этом способе точно определить затруднительно, что может привести к неполной регенерации ФЭ или к чрезмерно длительному неэкономичному процессу регенерации, сопровождающемуся снижением ресурса работы ФЭ.

Кроме того, определение зоны сгорания дополнительного топлива в данном способе производится косвенно, т.е. по заданному значению Md. Нельзя отрицать, что измеренная объемная концентрация кислорода в ОГ [(О₂)] является однозначной функцией Md и практически не зависит от . В то же время можно утверждать, что эта функция справедлива только для конкретного типа дизельных двигателей, т. к. полнота сгорания у каждого типа дизельного двигателя различная. В действительности же для надежного сгорания топлива необходимо иметь достаточную [(O₂)] которая является универсальной для всех типов дизельных двигателей. Если эта [(O₂)] не достаточна, то подача дополнительного топлива может происходить без его сгорания, что резко снижает экономичность процесса регенерации ФЭ.

Задача изобретения повышение экономичности процессарегенерации ФЭ, его ресурса работы, уменьшения потерь полного давления в потоке ОГ и расширения диапазона режимов работы двигателя по нагрузке, при котором возможна регенерация ФЭ.

Поставленные задачи решаются следующими техническими решениями.

1. Другими условиями начала процесса регенерации ФЭ путем его нагрева ОГ.

Для этого измеряют [O₂] до дожигателя и поток ОГ нагревают тогда:

a) когда одновременно и P^* превышает P^*_max и измеренная [O₂] до дожигателя превышает ее заданное минимально допустимое значение [O₂]_min,

б) или когда одновременно и P^* превышает P^*_max, и измеренная [O₂] до дожигателя находится в заданном допустимом диапазоне.

2. Другими условиями окончания процесса регенерации. То есть поток ОГ нагревают до тех пор, пока P^* не станет меньше его заданного минимально допустимого значения ((P^*_min)). После этого прекращают подачу дополнительного топлива в поток ОГ.

3. Если измеренная [O₂] до дожигателя меньше [O₂]_min, то производят ввод вторичного газа, содержащего кислород, в поток ОГ.

4. Регенерируют Gт и расход вторичного газа, содержащего кислород, (Gт), поддерживая в зоне горения дополнительного топлива коэффициент избытка окислителя () близким к единице с учетом измеренной [O₂] до дожигателя. Под коэффициентом избытка окислителя понимается отношение действительного расхода окислителя к его теоретическому расходу, необходимому для сжигания одного килограмма топлива.

5. Дополнительное топливо и вторичный газ, содержащий кислород, предварительно смешивают с целью получения гомогенной топливно-газовой смеси (ТГС) до момента подачи их в поток ОГ.

6. Образовавшуюся ТГС подогревают ОГ до ввода ее в поток ОГ.

Использование указанной совокупности отличительных признаков с требуемой целью автору неизвестно.

При организации процесса регенерации ФЭ путем его нагрева ОГ за счет ввода в поток ОГ дополнительного топлива и его сжигания в кислороде ОГ важно создать такие условия, при которых возможно надежное воспламенение и устойчивое горение дополнительного топлива.

Когда P^* превышает P^*_max, это означает, что необходима регенерация ФЭ. В качестве P^*_max принимают значения заданной функции измеренных значений . Однако ввод дополнительного топлива в поток ОГ с целью нагрева потока следует производить только тогда, когда измеренная [O₂] до дожигателя достаточна для его воспламенения и сгорания. То есть необходимо, чтобы соблюдалось одновременно два условия, указанные в пункте 1 а. При этом регенерация ФЭ возможна на всех режимах по Md, на которых измеренная [O₂] до дожигателя выше [O₂]_min. В качестве [O₂]_min принимают такую [O₂] при которой реализуется надежное воспламенение и устойчивое горение дополнительного топлива в кислороде ОГ. Следует отметить, что с уменьшением Md увеличивается не только [O₂] но уменьшается и температура потока ОГ. Чем ниже Md, тем больше разница между температурой потока ОГ, определяемой режимом работы двигателя, и температурой потока ОГ, при которой ведется регенерация ФЭ на этом же режиме. Следовательно, тем больше Gт, необходимый для поддержания заданной температуры ФЭ при его регенерации. Gт._max реализуется при и Md._min, так как на этом режиме, кроме самой низкой температуры потока ОГ, имеет место максимальный расход ОГ. Поэтому с увеличением , с точки зрения экономии Gт целесообразно по определенному закону увеличивать и Md, но так, чтобы измеренная [O₂] до дожигателя оставалась больше [O₂]_min.То есть существует независимый тип условий начала процесса регенерации ФЭ, указанный в пункте 1 б. Однако увеличение экономичности процесса регенерации по этому типу условий сопровождается ограничением диапазона режимов работы двигателя, при котором возможна регенерация ФЭ.

На наш взгляд степень регенерации ФЭ более надежно оценивать по P^*. При этом P^*_min необходимо корректировать с учетом расхода ОГ, который прямо пропорционален (пункт 2). То есть в качестве P^*_min принимают значения заданной функции измеренных значений . Чтобы не уменьшать диапазон режимов, при которых возможна регенерация ФЭ, когда [O₂] меньше [O₂]_min, можно ввести вторичный газ, содержащий кислород, в зону горения дополнительного топлива, т.е. в поток ОГ (пункт 3). Это позволит локально повысить [O₂] и сделать возможным сжигание дополнительного топлива и в этом случае.

Ввод дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород, сопровождается потерями полного давления в потоке ОГ, ростом противодавления на выходе из двигателя и в результате падением его мощности. Химические реакции (горение) между топливом и окислителем не начнутся до тех пор, пока они не окажутся в одной области пространства и пока не произойдет их смешение на молекулярном уровне под действием диффузии. Если поддерживать в зоне горения дополнительного топлива близким к единице (под словом близким к единице понимается a=1 с учетом точности измерения), с учетом [O₂] то заданную температуру ФЭ можно обеспечивать при Gт._min и Gт._min0 т.к. при =1 реализуется максимальная температура в зоне горения. То есть процесс диффузионного горения дополнительного топлива в потоке ОГ будет происходить при минимальных потерях полного давления, обусловленных смешением потока ОГ, дополнительного топлива и вторичного газа,содержащего кислород (пункт 4).

Если процесс смешения дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород, вынести за пределы потока ОГ, то потери полного давления в потоке ОГ будет еще снижены. Кроме того, предварительное смешение позволяет повысить полноту сгорания топлива, а, следовательно, уменьшить Gт (пункт 5).

Подогрев ТГС, образовавшейся за счет предварительного перемешивания дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород, позволяет снизить Gт на величину, соответствующую степени подогрева ТГС (пункт 6).

Схема устройства очистки ОГ от ТЧ (далее устройство), в котором реализуется предложенный способ очистки, показана на фиг. 1.

Устройство (фиг. 1) содержит корпус 1, ФЭ 6, чувствительные элементы 7, 8 и 9 датчиков температуры T^*₁ 13,T^*₂ 14 и Тф 15 соответственно, приемники полного давления 10 и 11 датчиков давления P^*₁ 16 и P^*₂ 17 соответственно, блоки вычисления (БВ) P^*18, Gт 20, Gг 21, P^*_max 22, P^*_min 23, [O₂]_max 24, 25, датчики [O₂] 26 и n 27, задатчики (=1) 28, [O₂]_min 29, n_max 55 и Тф._max 30, блоки сравнения (БС) 31-36, блоки управления (БУ) 37-40, исполнительные органы (ИО) 41-44 соответственно регулирующих органов 45 и 46 и электромагнитных клапанов (ЭМК) 47 и 48, установленных в магистралях подачи дополнительного топлива 49 и вторичного газа, содержащего кислород, 50, пробоотборник 12 датчика [O₂] 26, чувствительные элементы 53 и 54 БВ 20 и БВ 21 соответственно, камеру смешения (КС) 51 вторичного газа, содержащего кислород, и дополнительного топлива, теплообменник 52 и дожигатель (в выхлопном тракте область, занимаемая дожигателем, обозначена пунктиром), включающий форсунку 2, стабилизатор 3, свечу 4 и электронную систему зажигания (ЭСЗ) 5.

Реализация предложенного способа в устройстве (фиг. 1) осуществляется следующим образом.

ОГ 56 поступает на вход устройства с произвольными T^*₁ и [O₂] которые определяются режимом работы двигателя.

Регулирующие органы 45 и 46 открыты, а ЭМК 47 и ЭМК 48 нормально закрыты, поэтому вторичный газ, содержащий кислород, и дополнительное топливо не поступают к форсунке 2. ЭСЗ непрерывно генерирует высокочастотные импульсы на свечу 4 даже тогда, когда вторичный газ, содержащий кислород, и дополнительное топливо не поступают в поток ОГ 56.

ОГ 56 вначале пропускают через дожигатель, а затем через ФЭ 6. Очищенные от ТЧ ОГ 57 поступают в атмосферу.

Поток ОГ 56 зондируется с помощью чувствительных элементов 7 и 8, пробоотборника 12 и приемников полного давления 10 и 11. Вначале по значениям сигналов датчика n 27 и задатчика n_max 55 в БВ 19 происходит вычисление значений . Затем по значениям сигналов датчика T^*₁ 13, T^*₂ 14, P^*₁ 16, P^*₂ 17 и значению сигнала БВ 19 вычисляются значения P^*_min в БВ 23, P^*_max в БВ 22, [O₂]_max в БВ 24 и P^* в БВ 18.

Значение сигнала БВ 18 сравнивается в БС 32 с сигналом БВ 22. Если P^* больше P^*_max, то сигнал из БС 32 поступает в БУ 38. Однако сигнал из БУ 38 к ИО 43 и ИО 44 может выйти только в том случае, когда, кроме сигнала из БС 32, в БУ 38 одновременно поступят сигналы из БС 33 и БС 34, где значение сигнала датчика [O₂] 26 сравнивается со значениями сигналов задатчика [O₂] _min 29 и БВ [O₂]_max 24 соответственно. Причем из БС 33 и БС 34 сигналы выходят в том случае, когда после сравнения соответствующих сигналов окажется, что в первом случае [O₂] больше [O₂]_min, а во втором [O₂] меньше [O₂]_max. После поступления сигнала из БУ 38 к ИО 43 и ИО 44 ЭМК 47 и ЭМК 48 открываются. Дополнительное топливо и вторичный газ, содержащий кислород, предварительно смешиваются в КС 51 и образовавшаяся ТГС после подогрева в темплообменнике 52 подается через форсунку 2 в поток ОГ 56. Воспламенение и поддержание горения дополнительного топлива за стабилизатором 3 обеспечивается искрой от свечи 4 с помощью ЭСЗ 5. Если Тф, измеренная датчиком 15 с помощью чувствительного элемента 9, окажется больше (меньше) Тф._max, то после сравнения в БС 35 значений соответствующих сигналов от датчика Тф 15 и задатчика Тф._max 30 БС 35 выдает сигнал ИО 41 через БУ 39 на прикрытие (открытие) регулирующего органа 45.

В процессе регенерации ФЭ 6 поток вторичного газа, содержащего кислород, и поток дополнительного топлива зондируются чувствительными элементами 54 и 53 соответственно. В БВ 20 и БВ 21 формируются сигналы, пропорциональные соответственно Gт и Gг, а в БВ 25 вычисляется значение по значениям сигналов БВ 20, БВ 21 и датчика [O₂] 26. Если a больше (меньше) единицы, то после сравнения в БС 36 значений соответствующих сигналов от БВ 25 и задатчика (=1) 28 БС 36 выдает сигнал ИО 42 через БУ 40 на покрытие (открытие) регулирующего органа 46.

Сигнал от БВ 18, кроме БС 32, одновременно поступает и в БС 31. Если P^* окажется меньше P^*_min, то после сравнения в БС 31 значений соответствующих сигналов от БВ 31 выдает сигнал ИО 43 и ИО 44 через БУ 37 на закрытие ЭМК 47 и ЭМК 48. Регенерация ФЭ 6 завершена.

Прежде чем проводить эксперименты по оценке преимуществ предлагаемого способа очистки по сравнению со способом очистки в прототипе была получена экспериментальным путем характеристика, определяющая зависимость [O₂] от Md при разных и выключенном дожигателе. определялось с помощью датчика n 27 и задатчика n_max 55. [O₂] измерялось датчиком 26 с помощью чувствительного элемента 12, а Md с помощью штатной системы измерений, предусмотренной на экспериментальном стенде по испытанию дизеля ЗИЛ-645. Результаты экспериментальных измерений представлены на фиг. 2,а.

Затем, используя только магистраль подачи дополнительного топлива 49 при ручном регулировании Gт с помощью регулирующего органа 45, определялась граница начала устойчивого воспламенения и горения дополнительного топлива. В качестве дополнительного топлива использовалась пропано-бутановая смесь. Было установлено, что существует зона неустойчивого (срывного) горения топлива 58 (на графике, фиг. 2, а, эта зона заштрихована). Выше этой зоны 58 имеет место надежное воспламенение от искры свечи 4 и устойчивое горение дополнительного топлива в кислороде ОГ 56, а ниже этой зоны 58 воспламенения и горения топлива нет.

С помощью графика (фиг. 2 а) было установлено, что [O₂]_min, при котором наблюдается надежное воспламенение и устойчивое горение топлива, равна примерно 12,5%

После этого были проведены эксперименты с целью получения данных, подтверждающих преимущества заявленного способа по сравнению с прототипом. В качестве вторичного газа, содержащего кислород, использовался воздух. Для функционирования системы регенерации ФЭ 6 в автоматическом режиме было принято, что n_max 2700 об/мин, Тф._max 700^oC, [O₂]_min 12,5% Вычисление [O₂] _max в БВ 24 производилось по закону , причем постоянные А и В определялись из условия, что при 25% [O₂]_max 18% а при 100% [O₂]_max 13,5% (фиг. 2 б).

P^*_max в БВ 22 вычислялось пропорционально комплексу , причем коэффициент пропорциональности подбирался из условия, что значение P^*_max при полностью забитом ФЭ должно быть таким, чтобы при и Md 100% мощность двигателя снизилась не более, чем на 4%

P^*_min в БВ 23 вычислялся пропорционально комплексу , причем коэффициент пропорциональности подбирался с помощью измеренного значения P^*_min на заданном режиме по и Md при испытании чистого ФЭ 6.

Питание автоматизированной системы регенерации осуществлялось от сети напряжением 24 В.

Функционирование системы регенерации ФЭ 6 в автоматическом режиме подтвердило ее высокую надежность на всех разрешенных этой системой режимах работы двигателя.

Предварительное смешение вторичного воздуха и пропано-бутановой смеси в КС 51 до ввода их в поток ОГ 56 при 100% и Md 100% позволило снизить Gт примерно на 3% На режимах холостого хода по и Md эффективность влияния предварительного смешения вторичного воздуха и пропано-бутановой смеси на Gт снижается. Потери полного давления в потоке ОГ на этом же номинальном режиме работы двигателя за счет предварительного смешения вторичного воздуха и пропано-бутановой смеси были снижена на 15%

Предварительный подогрев топливо-воздушной смеси (ТВС) в теплообменнике 52 на номинальном режиме ( 100% и Md 100%) снизил Gт на 12% На режимах холостого хода по Md положительное влияние на Gт предварительного подогрева ТВС менее значительное.

Наиболее сильное влияние на Gт оказывает . Нарушение условий a=1 в зоне горения пропано-бутановой смеси в пределах воспламеняемости ТВс приводило к увеличению Gт до 30%

Длительная эксплуатация системы регенерации ФЭ, построенной по предлагаемому способу, показала, что регенерация ФЭ 6 происходит заболее короткое время и за 100 циклов регенерации эта система позволила повысить экономичность процесса регенерации по сравнению с системой регенерации прототипа более чем на 25%

Предложенный способ очистки ОГ от ТЧ может быть использован в других энергетических установках, где осуществляется сжигание углеводородного топлива, например, котлах ТЭС, ТЕЦ и т.д. При этом построение систем регенерации ФЭ таких энергоустановок будет намного проще, т.к. их режимы работы отличаются от дизельных двигателей стационарностью расхода топлива.