способ очистки отработавших газов дизельных двигателей от газообразных вредных веществ и твердых частиц

Формула изобретения

1. Способ очистки отработавших газов дизельных двигателей от газообразных вредных веществ и твердых частиц путем пропускания потока отработавших газов через входной окислительный нейтрализатор каталитического типа и через фильтрующий элемент, отличающийся тем, что перед входным окислительным нейтрализатором устанавливают камеру сгорания, содержащую форсунку, стабилизатор пламени и свечу для воспламенения горючей смеси, за фильтрующим элементом устанавливают выходной окислительный нейтрализатор каталитического типа и отработавшие газы очищают путем пропускания потока последовательно через камеру сгорания, входной окислительный нейтрализатор, фильтрующий элемент и выходной окислительный нейтрализатор, непрерывно измеряют температуру потока до камеры сгорания, температуры тела входного и выходного окислительных нейтрализаторов и фильтрующего элемента, объемную концентрацию кислорода в отработавших газах до камеры сгорания и перепад давления на фильтрующем элементе, непрерывно сравнивают измеренную температуру потока до камеры сгорания и измеренные температуры входного и выходного окислительных нейтрализаторов с заданной рабочей температурой катализатора, измеренную концентрацию кислорода - с заданной минимально допустимой концентрацией кислорода, измеренный перепад давлений - с заданными максимально и минимально допустимыми перепадами давления, измеренную температуру фильтрующего элемента - с его заданной минимально допустимой температурой, если окажется после сравнения, что одновременно измеренный перепад давления на фильтрующем элементе меньше или равен максимально допустимому перепаду давления, измеренная температура потока меньше или равна заданной рабочей температуре катализатора и измеренная температура входного либо выходного окислительного нейтрализатора меньше той же заданной рабочей температуры катализатора, то поток подогревают за счет подачи дополнительного топлива в камеру сгорания и сжигания его в кислороде отработавших газов, причем температуры входного и выходного окислительных нейтрализаторов поддерживают равными заданной рабочей температуре катализатора с заданной точностью за счет регулирования расхода дополнительного топлива, если окажется после сравнения, что измеренная температура потока больше заданной рабочей температуры катализатора при соблюдении остальных двух условий, то подачу дополнительного топлива прекращают, если окажется после сравнения, что одновременно измеренный перепад давления на фильтрующем элементе больше заданного максимально допустимого перепада давления, измеренная температура фильтрующего элемента меньше его заданной минимально допустимой температуры и измеренная концентрация кислорода больше или равна заданной минимально допустимой концентрации кислорода, то поток подогревают за счет подачи дополнительного топлива в камеру сгорания и сжигания его в кислороде отработавших газов, причем температуру фильтрующего элемента поддерживают равной заданной минимально допустимой температуре с заданной точностью за счет регулирования расхода дополнительного топлива до тех пор, пока измеренный перепад давления на фильтрующем элементе остается больше или равен заданному минимально допустимому перепаду давления, если окажется после сравнения, что измеренный перепад давления на фильтрующем элементе меньше заданного минимально допустимого перепада, то снова поддерживают температуры входного и выходного окислительных нейтрализаторов равными заданной рабочей температуре катализатора с заданной точностью так, как описано выше.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что если измеренная объемная концентрация кислорода в отработавших газах меньше минимально допустимой концентрации кислорода, то подают вторичный газ, содержащий кислород, в зону горения камеры сгорания.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве вторичного газа, содержащего кислород, используют воздух.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в зоне горения камеры сгорания поддерживают с заданной точностью коэффициент избытка окислителя равным единице с учетом измеренной концентрации кислорода в отработавших газах за счет регулирования расходов дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что дополнительное топливо и вторичный газ, содержащий кислород, предварительно смешивают до подачи их в зону горения камеры сгорания.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что смесь дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород, подогревают до подачи ее в зону горения камеры сгорания за счет энергии потока ОГ, который прошел систему очистки.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру потока за фильтрующим элементом, в качестве максимально допустимого перепада давления используют заданную функцию измеренных оборотов ротора и вязкости, вычисленной по измеренной температуре потока отработавших газов до камеры сгорания, в качестве минимально допустимого перепада давления используют заданную функцию измеренных оборотов ротора и вязкости, вычисленной по измеренной температуре потока за фильтрующим элементом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к охране окружающей среды, а точнее к защите воздушного бассейна от газообразных вредных веществ (ГВВ) и твердых частиц (ТЧ), образующихся при сжигании углеводородных топлив в различных дизельных энергоустановках (ДЭУ), прежде всего в автомобильных дизельных двигателях (дизелях).

Известны способы каталитической очистки отработавших газов (ОГ) от ГВВ (СО и С_хН_у) путем пропускания потока ОГ только через окислительный нейтрализатор каталитического типа (авт. св. СССР 918462, кл. F 01 N 3/00, 1982 [1] ) либо путем пропускания потока ОГ через каталитический нейтрализатор с последующим дожиганием несгоревших компонентов (СО и С_хН_у) в пламенном реакторе за счет ввода вторичного воздуха в поток ОГ (патент Великобритании 1361267, кл. F1B, 1974 [2], патент Франции 2116666, кл. F 01 N 3/00, 1972 [3]).

Каталитические способы очистки ОГ имеют один общий недостаток, заключающийся в том, что в процессе эксплуатации нейтрализатора на поверхности катализатора накапливаются отложения несгоревших углеводородных соединений топлива, масла, сульфитов, сульфатов, сажи и смол, В результате такой дезактивации катализатора эффективность очистки ОГ от ГВВ постепенно снижается практически до нуля.

Было установлено также (Per smettere di fumare. Guaglio Elio. HP transporti, 1990. 17. 5. P. 31-33 [4]. MAN le Diesel et les particules. Ingenieurs de Г automobile, 1990. 661. P. 91-96 [5]), что высокая эффективность очистки ОГ от сажи достигается путем их пропускания через фильтрующий элемент (ФЭ), на поверхности которого нанесен платиновый катализатор, при температуре катализатора, изменяющейся в диапазоне (400-450)^oС. При отсутствии катализатора процесс интенсивного окисления сажи начинается при температуре (600-650)^oС. То есть применение катализатора позволяет понизить температуру начала интенсивного окисления частиц сажи примерно на 200^oС. В пользу применения катализаторов для очистки ОГ от сажи свидетельствует тот факт, что на большинстве номинальных режимах работы ДЭУ температура ОГ превосходит рабочую температуру катализатора. Однако фильтры каталитического типа не получили развития и применения, т.к. большие фильтрующие поверхности потребовали нереально большого расхода дорогостоящего катализатора.

Поэтому стали применять системы очистки, состоящие из окислительного нейтрализатора каталитического типа для очистки ОГ от ГВВ и ФЭ для очистки ОГ от ТЧ, в том числе и от сажи.

Например, в способе фирмы "VOLVO" (газета "Авторевю", 21 (184), 1998 [6] ) устройство очистки содержит ФЭ и окислительный нейтрализатор каталитического типа, установленный перед ним, и поток ОГ очищают путем его пропускания через этот окислительный нейтрализатор и через ФЭ.

Следует подчеркнуть, что с помощью окислительного нейтрализатора каталитического типа можно очистить ОГ не только от ГВВ, но и от очень мелких углеродных частиц сажи, уменьшая нагрузку на ФЭ.

Чтобы уменьшить эрозию и дезактивацию катализатора, а также увеличить эффективность очистки и срок его эффективной работы, в способе (патент РФ 2049242, кл. F 01 N 3/18, 1991 [7]) поток ОГ пропускают через ФЭ, установленный перед каталитическим нейтрализатором, а затем через сам нейтрализатор.

За время эксплуатации таких систем очистки катализатор подвергается дезактивации, что сопровождается падением эффективности очистки ОГ от ГВВ, а ФЭ постепенно заполняется твердыми частицами, что сопровождается значительным ростом его гидравлического сопротивления и противодавления на выходе из ДЭУ, а также соответствующим падением ее мощности. Это обстоятельство требует периодического снятия системы очистки для проведения ее регенерации, что вызывает большие неудобства при эксплуатации.

Из рассмотренных аналогов наиболее близким к предлагаемому способу является способ очистки фирмы "VOLVO" [6], который принят в качестве прототипа.

Температура ОГ в зависимости от режимов работы дизеля может изменятся в широком диапазоне (250-550)^oС. На части режимов, на которых температура ОГ ниже рабочей температуры катализатора, способ [6] дает очень низкую эффективность очистки ОГ от ГВВ и сажи или она совсем отсутствует, что является недостатком этого способа.

Задача изобретения заключается в увеличении эффективности очистки ОГ от ГВВ и в расширении диапазона режимов работы дизеля по нагрузке, в котором обеспечивается высокая эффективность очистки.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе отработавшие газы дизельных двигателей очищают от газообразных вредных веществ и твердых частиц путем пропускания потока через камеру сгорания, входной окислительный нейтрализатор, фильтрующий элемент и выходной окислительный нейтрализатор.

Непрерывно измеряют температуру потока до камеры сгорания, температуры тела входного и выходного окислительных нейтрализаторов и фильтрующего элемента, объемную концентрацию кислорода в отработавших газах до камеры сгорания и перепад давления на фильтрующем элементе.

Непрерывно сравнивают измеренную температуру потока до камеры сгорания и измеренные температуры входного и выходного окислительных нейтрализаторов с заданной рабочей температурой катализатора, измеренную концентрацию кислорода - с заданной минимально допустимой концентрацией кислорода, измеренный перепад давлений - с заданными максимально и минимально допустимыми перепадами давления, измеренную температуру фильтрующего элемента - с его заданной минимально допустимой температурой. Если окажется после сравнения, что одновременно измеренный перепад давления на фильтрующем элементе меньше или равен максимально допустимому перепаду давления, измеренная температура потока меньше или равна заданной рабочей температуре катализатора и измеренная температура входного либо выходного окислительного нейтрализатора меньше той же заданной рабочей температуры катализатора, то поток подогревают за счет подачи дополнительного топлива в камеру сгорания и сжигания его в кислороде отработавших газов. Причем температуры входного и выходного окислительных нейтрализаторов поддерживают равными заданной рабочей температуре катализатора с заданной точностью за счет регулирования расхода дополнительного топлива. Если окажется после сравнения, что измеренная температура потока больше заданной рабочей температуры катализатора при соблюдении остальных двух условий, то подачу дополнительного топлива прекращают. Если окажется после сравнения, что одновременно измеренный перепад давления на фильтрующем элементе больше заданного максимально допустимого перепада давления, измеренная температура фильтрующего элемента меньше его заданной минимально допустимой температуры и измеренная концентрация кислорода больше или равна заданной минимально допустимой концентрации кислорода, то поток подогревают за счет подачи дополнительного топлива в камеру сгорания и сжигания его в кислороде отработавших газов. Причем температуру фильтрующего элемента поддерживают равной заданной минимально допустимой температуре с заданной точностью за счет регулирования расхода дополнительного топлива до тех пор, пока измеренный перепад давления на фильтрующем элементе остается больше или равен заданному минимально допустимому перепаду давления. Если окажется после сравнения, что измеренный перепад давления на фильтрующем элементе меньше заданного минимально допустимого перепада, то снова поддерживают температуры входного и выходного окислительных нейтрализаторов равными заданной рабочей температуре катализатора с заданной точностью так, как описано выше.

Если измеренная объемная концентрация кислорода в отработавших газах меньше минимально допустимой концентрации кислорода, то подают вторичный газ, содержащий кислород, в зону горения камеры сгорания.

В качестве вторичного газа, содержащего кислород, используют воздух.

В зоне горения камеры сгорания поддерживают с заданной точностью коэффициент избытка окислителя равным единице с учетом измеренной концентрации кислорода в отработавших газах за счет регулирования расходов дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород.

Дополнительное топливо и вторичный газ, содержащий кислород, предварительно смешивают до подачи их в зону горения камеры сгорания.

Смесь дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород, подогревают до подачи ее в зону горения камеры сгорания за счет энергии потока ОГ, который прошел систему очистки.

Дополнительно измеряют температуру потока за фильтрующим элементом, в качестве максимально допустимого перепада давления используют заданную функцию измеренных оборотов ротора и вязкости, вычисленной по измеренной температуре потока отработавших газов до камеры сгорания, в качестве минимально допустимого перепада давления используют заданную функцию измеренных оборотов ротора и вязкости, вычисленной по измеренной температуре потока за фильтрующим элементом.

Т.е. поставленная задача достигается следующими техническими решениями.

1. За ФЭ устанавливают дополнительный выходной окислительный нейтрализатор каталитического типа и через него пропускают очищенный от ТЧ поток ОГ.

2. Перед входным окислительным нейтрализатором каталитического типа в потоке ОГ устанавливают камеру сгорания (КС), содержащую форсунку для подачи распыленного дополнительного топлива либо смеси дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород, стабилизатор пламени и свечу для воспламенения смеси.

3. Температуры входного t_к ¹ и выходного t_к ² катализаторов поддерживают равными заданной рабочей температуре катализатора t_к ^p за счет регулирования расхода дополнительного топлива и его сжигания в КС. Причем дополнительное топливо подают и сжигают в КС тогда, когда одновременно выполняются следующие условия:



4. Условиями начала процесса регенерации ФЭ являются,



которые должны выполняться одновременно.

Они означают, что измеренный перепад давления на ФЭ p^* должен быть больше максимально допустимого перепада давления p_max, измеренная концентрация кислорода в ОГ [O₂] должна быть больше или равна минимально допустимой концентрации кислорода [О₂] _min и измеренная температура ФЭ t_ф меньше заданной температуры ФЭt_ф ^min.

5. В процессе регенерации ФЭ его температуру поддерживают с заданной точностью, равной заданной температуре ФЭt_ф ^min, при которой происходит интенсивное окисление углерода, за счет регулирования расхода дополнительного топлива в КС до тех пор, пока одновременно выполняются все три условия.

где p_min - минимально допустимый перепад давления.

6. Когда измеренный перепад давления на ФЭ p^* станет меньше минимально допустимого перепада давления p_min, сравнивают измеренные температуры катализаторов t_к ¹ и t_к ² с заданной рабочей температурой катализатора t_к ^p. Если одновременно выполняются оба условия.

то процесс регенерации ФЭ завершают и продолжают процесс регенерации катализаторов, поддерживая их температуры с заданной точностью равными заданной рабочей температуре катализатора t_к ^p так, как указано в пункте 3.

Если одновременно выполняются два других условия



то подачу дополнительного топлива прекращают, завершая процесс регенерации ФЭ. При этом поддержание температуры катализаторов t_к ¹ и t_к ² не ниже заданной рабочей температуры катализаторов t_к ^p обеспечивается за счет энергии потока ОГ.

7. Если измеренная объемная концентрация [O₂] в ОГ до КС меньше минимально допустимой концентрации [О₂]_min, то подают в КС вторичный газ, содержащий кислород.

8. В качестве вторичного газа, содержащего кислород, используют воздух.

9. В зоне горения КС поддерживают коэффициент избытка окислителя = 1 с заданной точностью с учетом измеренной концентрации кислорода [О₂] в ОГ до КС за счет регулирования расходов дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород.

10. Дополнительное топливо и вторичный газ, содержащий кислород, предварительно смешивают с целью получения гомогенной смеси до подачи их в КС.

11. Образовавшуюся смесь дополнительного топлива и газа, содержащего кислород, подогревают до подачи ее в КС с помощью энергии потока ОГ, который прошел систему очистки.

12. Максимально допустимый перепад давления в процессе работы дизеля определяют как заданную функцию измеренных оборотов ротора и вязкости, вычисленной по измеренной температуре потока ОГ до КС.

13. Минимально допустимый перепад давления в процессе регенерации ФЭ определяют как заданную функцию измеренных оборотов ротора и вязкости, вычисленной по измеренной температуре ОГ за ФЭ.

В способе очистки [6] ФЭ не подвергается регенерации и функционирует только на заполнение его свободного объема, в основном твердыми частицами сажи, которые химически "заморожены".

Если к такой системе очистки применить регенерацию, то в процессе этой регенерации накопившаяся в ФЭ сажа окислится с образованием вредного вещества СО, которое поступит в воздушный бассейн. Чтобы избежать этих выбросов необходимо за ФЭ, который подвергается принудительной регенерации, установить дополнительный окислительный нейтрализатор каталитического типа и пропустить через него поток ОГ (пункт 1).

КС, установленная перед входным окислительным нейтрализатором, обеспечивает экономное сжигание дополнительного топлива, т.к. в такой КС достигается высокая полнота сгорания, надежное воспламенение и стабильное (бессрывное) горение смеси (пункт 2).

При критике прототипа отмечалось, что на режимах малых нагрузок с помощью ОГ нельзя нагреть оба катализатора до их рабочих температур, т.к. собственная температура ОГ ниже этих рабочих температур. На режимах малых нагрузок измеренные температуры катализаторов t_к ¹ и t_к ² всегда ниже заданной рабочей температуры катализатора t_к ^р, поэтому наблюдается очень низкая эффективность очистки ОГ от ГВВ. Если на этих режимах поддержать температуры входного и выходного катализаторов равными их заданной рабочей температуре с заданной точностью за счет регулирования расхода и сжигания дополнительного топлива в КС, то высокая эффективность очистки ОГ от ГВВ будет достигнута на всех возможных режимах работы по нагрузке на дизель.

Чтобы отделить режимы работы ДЭУ, на которых регенерация катализаторов может быть реализована за счет энергии потока, целесообразно первые два неравенства в условиях (1) дополнить третьим неравенством.

Для входного и выходного окислительных нейтрализаторов могут применяться различные катализаторы. В качестве заданной рабочей температуры катализатора необходимо задавать более высокую рабочую температуру одного из двух катализаторов (пункт 3).

Под рабочей температурой катализатора будем понимать такую его температуру, при которой окислительные реакции на нем протекают достаточно интенсивно.

Было установлено (патент РФ 2076215, кл. F 01 N 3/18, 1994 [8]), что для дизеля существует минимально допустимая концентрация кислорода [O₂]mm, ниже которой воспламенение и горение смеси дополнительного топлива и ОГ отсутствуют.

Поэтому при определении условий, в соответствии с которыми начинается процесс регенерации ФЭ, не достаточно ограничить перепад давления на ФЭ и температуру ФЭ с помощью первых двух строгих неравенств в условиях (2). Важно знать и концентрацию кислорода [О₂], которая должна быть больше минимально допустимой концентрации [O₂]_min. В противном случае подача дополнительного топлива в КС без сгорания его смеси с ОГ приведет к резкому снижению экономичности процесса регенерации ФЭ. То есть для гарантированного сгорания смеси дополнительного топлива и ОГ в КС при регенерации ФЭ необходимо, чтобы выполнялось третье неравенство в условиях (2) (пункт 4).

По той же причине в процессе регенерации ФЭ пока перепад давления на ФЭ остается больше минимально допустимого перепада давления, а температура ФЭ поддерживается с заданной точностью, равной его заданной минимально допустимой температуре, для надежного сгорания смеси дополнительного топлива и ОГ в КС важно, чтобы концентрация кислорода в ОГ была больше минимально допустимой концентрации [O₂]_min. Поэтому в процессе регенерации ФЭ должны одновременно выполнятся все три неравенстве из условия (3) (пункт 5).

Когда измеренный перепад давления на ФЭ станет меньше заданного минимально допустимого перепада давления, сравнивают заданную рабочую температуру катализатора и измеренные температуры катализаторов. Если эти измеренные температуры будут больше или равны заданной рабочей температуре катализатора, то подачу дополнительного топлива прекращают. В противном случае расход дополнительного топлива уменьшают и поддерживают на более низком уровне температуры катализаторов равными с заданной точностью заданной рабочей температуре катализатора за счет регулирования расхода дополнительного топлива (пункт 6).

В процессе работы ДЭУ заполнение ФЭ, которому соответствует максимально допустимый перепад давления, может произойти на режимах максимальных нагрузок. На этих режимах измеренная концентрация [O₂] меньше минимально допустимой концентрации [О₂] _min, поэтому подавать дополнительное топливо в КС нельзя без ущерба для экономичности процесса регенерации ФЭ. Так как после заполнения ФЭ его нельзя дальше эксплуатировать, то может возникнуть аварийная ситуация.

Чтобы расширить диапазон режимов работы ДЭУ в сторону режимов с максимальными нагрузками, на которых возможна регенерация ФЭ, необходимо подавать вторичный газ, содержащий кислород, в КС (пункт 7).

Для экономии расхода дополнительного топлива и повышения экономичности процесса регенерации ФЭ и катализаторов в зоне горения смеси в КС поддерживают с заданной точностью коэффициент избытка окислителя равным единице с учетом измеренной концентрации [O₂] в ОГ до КС за счет регулирования расходов дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород (пункт 9).

Смешение дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород, в КС сопровождается потерями полного давления, ростом общего перепада давления на системе очистки и противодавления на выходе из ДЭУ и дополнительными потерями мощности ДЭУ. Потери мощности ДЭУ можно уменьшить, если смешение дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород, выполнить до подачи их в КС (пункт 10).

Дальнейшие уменьшение расхода дополнительного топлива и повышение экономичности процесса регенерации ФЭ достигается за счет подогрева смеси дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород, до подачи ее в КС с помощью энергии потока ОГ, который прошел систему очистки (пункт 11).

Остановимся более подробно на принятом подходе в задании максимально и минимально допустимого перепада давления, который устанавливается в пунктах 12 и 13.

Сопротивление ФЭ постепенно увеличивается в результате заполнения его свободного объема твердыми частицами, поэтому соответствующий ему рост перепада давления на ФЭ необходимо ограничить, т.к. он уменьшает мощность энергоустановки, и задать значение максимально допустимого перепада давления.

Это значение вначале целесообразно задать на самом неблагоприятном для ДЭУ режиме, а именно на режиме, характеризуемом относительными оборотами ротора, равными единице , и максимальной температурой ОГ, обусловленной 100 %-ной нагрузкой. Затем его необходимо постоянно корректировать по измеренным относительным оборотам ротора и вязкости ОГ, вычисленной по измеренной температуре ОГ перед КС. То есть максимально допустимый перепад давления есть переменная величина.

После очередной регенерации ФЭ истинное значение перепада давления не нем оказывается больше, чем его значение после предыдущей регенерации, т.к. ФЭ заполняется, кроме сажевых частиц, твердыми частицами неорганического происхождения, которые не поддаются регенерации. То есть истинный перепад давления на ФЭ после его регенерации является переменной величиной. Поэтому для удобства контроля за завершением процесса регенерации ФЭ в качестве минимально допустимого перепада давления обычно задают некоторый перепад давления, который больше истинного перепада давления на ФЭ и не зависит от степени заполнения свободного объема ФЭ. Через некоторое время работы ДЭУ истинный перепад давления на ФЭ может превысить заданный минимально допустимый перепад давления. Тогда, чтобы продолжить работу системы очистки, заданный минимально допустимый перепад давления необходимо скорректировать в сторону его увеличения. Причем этот заданный минимально допустимый перепад давления так же, как и заданный максимально допустимый перепад давления, есть переменная величина с той лишь разницей, что при его корректировке по вязкости последнюю необходимо подсчитать по температуре ОГ, измеренной за ФЭ в процессе его регенерации. Эта температура учитывает возрастание температуры ОГ за счет сгорания сажи, накопившейся в ФЭ.

Разность между максимально и минимально допустимыми перепадами давления определяет после изменения перепада давления на ФЭ между его очередными регенерациями.

Чтобы можно было задавать исходные значения максимально и минимально допустимых значений перепада давления, а затем корректировать их в процессе заполнения ФЭ и в процессе его регенерации, необходимо найти функцию, определяющую зависимость перепада давления на ФЭ от его геометрических параметров, структуры проницаемого материала и режимных факторов ДЭУ.

При отыскании этой функции будем полагать для простоты рассуждении, что ФЭ представляет собой проницаемую пластину площадью F и толщиной L, хотя полученные ниже результаты справедливы для ФЭ любой формы.

Сделаем некоторые определения.

В первом приближении пористость определяется так



где V - объем проницаемой пластины;

V_ч, F_ч - соответственно объем и площадь, занимаемые частицами;

V_пор, f_пор - соответственно объем и площадь, занимаемые порами.

Средняя фильтрационная скорость ОГ на входе в проницаемую пластину



где Q_ф - объемный расход ОГ через проницаемую пластину.

Средняя аксиальная скорость ОГ на входе в проницаемую пластину



Обозначим длину извилистого пути ОГ в проницаемой пластине как L_пор, которая больше толщины пластины L в направлении течения, т.е. L_пор>L.

Тогда средняя эффективная скорость движения ОГ в порах или абсолютная скорость ОГ в порах



Под гидравлическим радиусом R₂ будем понимать отношение объема пор V_пор к смоченной поверхности частиц



где S_ч - поверхность частиц на единицу объема проницаемой пластины.

Для проницаемой пластины, состоящий из N твердых частиц с эквивалентным диаметром d_ч, число этих частиц на единицу объема равно



Тогда удельная поверхность определяется из соотношения



После подстановки соотношение (12) в выражение (10) последнее принимает вид



Между эквивалентными диаметрами пор d_пор и частиц d_ч существует связь



Далее составим уравнение баланса расхода ОГ через дизель и через ФЭ, в качестве которого выступает проницаемая пластина

G_ф=G_ОГ, (15)

где G_ф = u_mF. (16)

Среднюю фильтрационную скорость ОГ u_m, определим из закона Пуазейля



где - динамическая вязкость;

k₀ - постоянный коэффициент;

р - перепад давления на проницаемой пластине.

Откуда с учетом соотношений (9), (13) и экспериментально установленного факта, что



получим



Расход ОГ через двигатель G_ОГ является некоторой линейной функцией относительных оборотов ротора



где

n - физические обороты ротора;

n_max - максимально допустимые обороты ротора;

a - коэффициент пропорциональности, который имеет размерность расхода.

Тогда, подставляя в уравнение (15) выражения для соответствующих расходов из уравнений (16) с учетом закона Пуазейля (19) и (20), получим искомую функцию



где

g - ускорение силы тяжести;

(T) - кинематическая вязкость ОГ.

Из уравнения (21) видно, как необходимо корректировать значение максимально допустимого перепада давления, чтобы учесть влияние на него параметров ( и T₁ ^*), определяющих режим работы дизеля.

Уравнение (21) позволяет записать соотношение для определения или вычисления значения максимально допустимого перепада давления на любом режиме работы двигателя.

где ⁰₁ и ₁ - кинематические вязкости ОГ, вычисленные по температуре ОГ перед КС при 100 %-ной нагрузке и по температуре ОГ в том же месте при текущей нагрузке соответственно;

- текущие относительные обороты ротора;

p⁰_max - заданное значение максимально допустимого перепада давления на режиме, характеризуемом предельными значениями относительных оборотов ротора и нагрузки.

Аналогичным образом получается соотношение для определения значения минимально допустимого перепада давления.

где ₃ - кинематическая вязкость, вычисленная по текущей температуре ОГ на режиме регенерации;

⁰₃ - кинематическая вязкость, вычисленная по заданной температуре ОГ;

p⁰_min - заданное значение минимально допустимого перепада давления при = 1 и заданной температуре ОГ.

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

Устройство (фиг. 1) содержит корпус 1, КС, включающую форсунку 2, стабилизатор пламени 3 и свечу 4, управляемую электронной системой зажигания (ЭС3), входной 5 и выходной 7 окислительные нейтрализаторы каталитического типа соответственно, ФЭ 6, теплообменник 10, датчик температуры ОГ t₁ ^* (ДТ1) со своими чувствительным элементом (ЧЭ1), установленным в потоке ОГ до КС, датчик объемной концентрации кислорода [О₂] (ДК) со своим пробоотборником (ПО), установленным в потоке ОГ до КС, датчик температуры катализаторов t_к ¹ и t_к ² (ДТ2) со своими чувствительными элементами (ЧЭ2 и ЧЭ5), установленными в теле соответственно входного и выходного катализаторов, датчик перепада давления на ФЭ p^* (ДПД) со своими приемниками полного давления (ПД1 и ПД2), установленными в потоке ОГ соответственно до и после ФЭ, датчик температуры ОГ t₃ ^* (ДТ3) со своим чувствительным элементом (ЧЭ3), установленным в потоке ОГ за ФЭ, датчик температуры ФЭ t_ф (ДТ4) со своим чувствительным элементом (ЧЭ4), установленным в теле ФЭ, датчик физических оборотов ротора дизеля n (ДN), магистраль подачи дополнительного топлива, в которой установлены электромагнитный клапан (ЭМК2) и регулируемый дроссель (РД) со своими исполнительными органами (ИO2 и ИO4) соответственно, магистраль подачи вторичного газа, содержащего кислород, в которой установлены электромагнитный клапан (ЭМК1) и регулируемый вентиль (РВ) со своими исполнительными органами (ИО1 и ИО3) соответственно, камеру (К), где осуществляется предварительное смешение вторичного газа 9 и дополнительного топлива 8, задатчик = 1 (31), n_max (32), t_ф ^min (33), [O₂] _min (34), t_к ^p (35), блоки вычисления p_min (БВ1), p_max (БВ2), (БВ3) и (БВ4), блоки (И1 и И2), которые пропускают сигналы в том случае, когда в каждый из них поступают одновременно два сигнала, выключатель (В), который при поступлении сигнала от одного источника замыкает цепь, а при поступлении от другого источника размыкает ее, блок (ИЛ), который пропускает сигнал, когда в него поступает сигнал или от одного источника, или от другого источника, переключатель (П), который пропускает сигнал в блок БУЗ либо от блока БС3, либо от блока БС5, когда в переключатель (П) поступает сигнал либо от блока БС2, либо от блока БС1 соответственно, блоки сравнения p^* и p_min (БС1), p^* и p_max (БС2), t_ф и t_ф ^min (БС3), [O₂] и [O₂] _min (БС4), t_к ¹ или t_к ² и t_к ^p (БС5), и = 1 (БС6), t₁ ^* и t_к ^p (БС7) и блоки формирования и выдачи управляющих сигналов в исполнительный орган ИO2 на закрытие соответственно электромагнитного клапана ЭМК2 (БУ1), в исполнительный орган ИO2 на открытие электромагнитного клапана ЭМК2 (БУ2), в исполнительный орган ИO4 на увеличение или уменьшение проходного сечения РД, т.е. на увеличение или уменьшение расхода дополнительного топлива 8 (БУ3), в исполнительный орган ИО3 на увеличение или уменьшение проходного сечения РВ, т. е. на увеличение или уменьшение расхода вторичного газа, содержащего кислород, 9 (БУ4). Заметим, что блок сравнения БС 1 имеет два выхода. Все остальные блоки сравнения БС2 - БС7 имеют один выход.

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

Исходные отработавшие газы (ОГ1) последовательно проходят через КС, входной окислительный нейтрализатор каталитического типа 5, где ОГ очищаются от ГВВ (СО и С_хН_у) и от мелких ТЧ сажи (до ~ 1мкм), ФЭ 6, где ОГ очищаются от более крупных ТЧ органического и неорганического происхождения, выходной окислительный нейтрализатор каталитического типа 7, где на обычных режимах работы ДЭУ ОГ доочищаются от ГВВ, а при регенерации ФЭ они, кроме того, очищаются от СО, образовавшегося в ФЭ, и завершают свой путь в теплообменнике 10. Затем очищенные от ТЧ и ГВВ отработавшие газы (ОГ2) поступают в атмосферу.

Регулируемый дроссель РД и регулируемый вентиль РВ открыты, а электромагнитные клапаны ЭМК1 и ЭМК2 нормально закрыты, поэтому вторичный газ, содержащий кислород, 9 и дополнительное топливо 8 не поступают к форсунке 2. ЭС3 непрерывно генерирует высокочастотные импульсы на свечу 4 даже тогда, когда горения смеси нет.

Цепь, соединяющая блок ИЛ с блоком БС1, разомкнута с помощью выключателя В.

Температурное состояние потока ОГ в различных сечениях по тракту устройства, а также температурное состояние входного и выходного катализаторов и ФЭ в процессе работы ДЭУ непрерывно контролируются соответствующими датчиками температуры ДТ1 - ДТ4 с помощью своих чувствительных элементов ЧЭ1 - ЧЭ5.

Степень заполнения ФЭ ТЧ непрерывно контролируется датчиком ДПД по значению p^* с помощью приемника полного давления ПД1 и ПД2. Кроме того, измеряются объемная концентрация [O₂] в ОГ до КС датчиком ДК с помощью пробоотборника ПО и физические обороты ротора п датчиком ДN.

Температура ОГ t₁ ^* и концентрация [О₂] в ОГ, измеренные до КС, а также измеренные обороты ротора n определяют режим работы ДЭУ.

В процессе работы ДЭУ по значениям сигналов датчика ДN оборотов ротора n и задатчика 31 максимальных оборотов n_max происходит вычисление значений относительных оборотов в блоке БВ3. Затем вычисляется значение p_min в блоке БВ1 по значениям сигналов датчика ДТ3 и блока БВЗ, значение p_max в блоке БВ2 по значениям сигналов датчика ДТ1 и блока БВЗ, а также значения в блоке БВ4 по сигналу датчика ДК.

Кроме того, непрерывно осуществляется регенерация катализаторов путем поддержания их температуры не ниже заданной рабочий температуры катализатора, либо за счет энергии потока ОГ, либо путем поддержания их температуры, равной заданной рабочей температуре катализатора, с заданной точностью за счет регулирования расхода и сжигания в КС дополнительного топлива. Для этого значение сигнала датчика ДПД сравнивается в блоке БС2 со значением сигнала, поступающего из блока БВ2, значение сигнала задатчика 35 сравнивается в блоке БС5 со значениями сигнала датчика ДТ2, а в блоке БС7 - со значением сигнала датчика ДТ1.

Если окажется после сравнения, что измеренный перепад на ФЭ меньше или равен максимально допустимому перепаду, а измеренные температуры катализаторов t_к ¹ и t_к ² и измеренная температура потока ОГ t₁ ^* меньше заданной рабочей температуры катализатора t_к ^p, т.е. что выполняются условия (1), то в блок И2 одновременно поступят два сигнала: один от блока БС5 и другой от блока БС7. Тогда блок И2 выдает сигнал через переключатель П в блок БУ3. После этого блок БУЗ формирует и выдает сигналы в исполнительный орган ИO2 на открытие клапана ЭМК2 и в исполнительный орган ИO4 на открытие дросселя РД, пропорциональное по величине разности сравниваемых температур t_к ¹ или t_к ² и t_к ^p. При нарушении хотя бы одного из условий (1) блок И2 не выдает сигнал, поэтому сигналы из блока БУЗ в исполнительные органы ИO2 и ИO4 не поступают, подача дополнительного топлива в КС прекращается и температура катализаторов поддерживается не ниже заданного уровня температуры за счет энергии потока ОГ.

ФЭ постепенно заполняется ТЧ, что сопровождается ростом перепада давления на нем. Для контроля этого процесса значение сигнала датчика ДПД сравнивается в блоке БС2 со значением сигнала, поступающего из блока БВ2, и в блоке БС1 со значением сигнала, поступающего из блока БВ1.

Если окажется после сравнения, что p^* больше p_max, т.е. что реализуется первое неравенство в условиях (2), то сигналы из блока БС2 одновременно поступают в блок БУ2 через блок ИЛ, в выключатель В, который замыкает цепь, соединяющую блок ИЛ и блок БС1, и в переключатель П, который переключает блок БУ3 на прием сигнала от блока БС3. По сигналу блока ИЛ блок БУ2 формирует и выдает управляющие сигналы в исполнительный орган ИО2 на открытие топливного клапана ЭМК2 и в блок И1. Управление расходом дополнительного топлива с помощью дросселя РД производится блоком БУ3 по величине сигнала блока БС3, который выдает сигнал только в том случае, когда измеренная датчиком ДТ4 температура ФЭ t_ф меньше заданной t_ф ^min, т.е. когда реализуется второе неравенство в условиях (2). Третье неравенство в условиях (2) выполняется за счет того, что измеренная концентрация [О₂] в ОГ обычно больше концентрации [О₂]_min.

Когда же измеренная датчиком ДК концентрация [O₂] в ОГ будет меньше концентрации [O₂] _min, то предусмотрена подача в КС вторичного газа, содержащего кислород, 9, который предварительно смешивается с дополнительным топливом 8 в камере К и подогревается в теплообменнике 10 с помощью ОГ. В этом случае блок И1 выдает сигнал в исполнительный орган ИО1 на открытие воздушного клапана ЭМК1, т.к. в блок И1 поступают два сигнала: один - из блока БУ2, свидетельствующий о том, что необходима регенерация ФЭ, а другой - из блока БС4, если измеренная концентрация [О₂] в ОГ меньше концентрации [О₂]_min.

Причем расход вторичного газа, содержащего кислород, регулируется с помощью вентиля РВ так, что в зоне горения КС поддерживается с заданной точностью коэффициент избытка кислорода = 1 с учетом концентрации [O₂] в ОГ. Для этого по измеренной концентрации [O₂] в ОГ до КС с помощью датчика ДК в блоке БВ4 вычисляется действительный коэффициент избытка окислителя , который сравнивается в блоке БС6 с = 1. По сигналу блока БС6 блок БУ4 формирует и выдает управляющий сигнал в исполнительный орган ИО3 на изменение проходного сечения вентиля РВ с учетом величины разности сравнительных коэффициентов. В противном случае поддержание заданной температуры ФЭ с заданной точностью ведут за счет сжигания дополнительного топлива в кислороде ОГ без подачи вторичного газа.

Через некоторое время после начала процесса регенерации ФЭ его температура станет больше или равна заданной температуре t_ф ^min, перепад давления на ФЭ p^* станет меньше p_max, но больше p_min, а концентрация [O₂] будет автоматически поддерживаться не ниже минимально допустимой концентрации [O₂] _min, т.е. будут реализованы условия (3). Сигнал из блока БС2 в блок БУ2 поступать не будет. Однако пока измеренный перепад давления p^* остается больше заданного перепада давления p_min, блок БС1 выдает сигнал через выключатель В и блок ИЛ в блок БУ2, что позволяет продолжить регенерацию ФЭ.

Когда перепад давления на ФЭ p^* в процессе его регенерации станет меньше заданного минимально допустимого перепада p_min, то процесс регенерации ФЭ завершается и блок БС1 выдает три сигнала: один - в выключатель В, который по сигналу блока БС1 размыкает цепь, соединяющие блоки ИЛ и БС 1, другой - в переключатель П, который переключает блок БУ3 на прием в него сигнала из блока И2, третий - в блок БУ1.

Что касается температурного состояния катализаторов, то после завершения регенерации ФЭ возможны два случая.

В первом случае выполняются условия (4).

Тогда в блок БУ1, кроме сигнала из блока БС1, поступит сигнал из блока БС5, свидетельствующий о том, что измеренные температуры катализаторов t_к ¹ и t_к ² меньше заданной рабочей температуры катализатора t_к ^p. После этого блок БУ1 формирует и выдает управляющий сигнал в исполнительный орган ИО2 на открытие клапана ЭМК2, что позволяет продолжить процесс регенерации катализаторов на более низком температурном уровне, чем предыдущий процесс. Причем поддержание их температуры не ниже заданной рабочей температуры катализатора осуществляется так, как описано выше в пункте 6.

Во втором случае выполняются условия (5), свидетельствующие о том, что измеренные температуры катализаторов больше заданной рабочей температуры катализатора. Тогда после сравнения значений сигналов датчика ДТ2 и задатчика 35 сигнал из блока БС5 не выходит и в блок БУ1 поступает только один сигнал из блока БС1. Следовательно, клапан ЭМК2 нормально закрыт и подача дополнительного топлива прекращается, но регенерация катализаторов обеспечивается за счет энергии потока ОГ.

При дальнейшей работе ДЭУ ФЭ снова начнет заполняться ТЧ и измеренный перепад давления станет больше заданного минимально допустимого перепада давления. Чтобы не произошло срабатывания системы регенерации ФЭ по сигналу блока БС1 при p^*>p_min предусмотрен выключатель В, который размыкает цепь, соединяющую блоки ИЛ и БС1, по сигналу того же блока БС 1 при p^*<p_min. Это техническое решение позволяет заполнить ФЭ ТЧ и начать его регенерацию только тогда, когда измеренный перепад давления на нем станет больше заданного максимально допустимого перепада давления. По сигналу блока БС2 при p^*>p_max предварительно будет замкнута цепь, соединяющая блоки ИЛ и БС1, с помощью выключателя В, что позволит не только начать, но и завершить регенерацию ФЭ.

Следует подчеркнуть, что регенерация катализаторов продолжается и тогда, когда осуществляется регенерация ФЭ, но на более высоком температурном уровне.

Были проведены экспериментальные исследования с целью получения данных, подтверждающих преимущества заявленного способа по сравнению с прототипом.

В качестве вторичного газа, содержащего кислород, использовался воздух.

В качестве ДЭУ использовался дизель КАМАЗ 7408.10.

Применялся платиновый катализатор на металлической основе для входного и выходного нейтрализаторов.

Для функционирования системы регенерации ФЭ и катализаторов в автоматическом режиме было принято:

n_max = 2200 об/мин; t_ф ^min = 650^oС; [О₂ ]_min = 12,5% по данным [8];

t_к ^p = 350^oС; t₁ ^* = 550^oС при 100% нагрузке для вычисления ⁰₁;

t₃ ^* = 800^oС для вычисления ⁰₃; p⁰_max = 20000 Па; p⁰_min = 8000 Па.

Текущее значение p_max вычислялось в блоке БВ2 по формуле (22).

Текущее значение p_min вычислялось в блоке БВ1 по формуле (23).

Эксперименты были проведены при пяти значениях относительных оборотов , вычисленных как отношение измеренных оборотов n к максимальным оборотам n_max в процентах: = 28%; = 47,2%, = 63,7%, = 79,3%, = 100%, а нагрузка на двигатель оценивалась значениями крутящего момента на гидротормозе М_d в процентах.

Экспериментальные результаты представлены на графиках (фиг. 2).

Исходная экологическая характеристика дизеля без применения устройства изображена сплошной линией. Из графиков (фиг. 2) видно, что концентрация [СО] практически не зависит от оборотов и целиком определяется только нагрузкой на двигатель.

Там же на графике пунктиром изображена экологическая характеристика двигателя при использовании устройства. Несмотря на то, что эффективность очистки ОГ от СО постепенно снижается от 85% на режиме максимальных нагрузок до 74% на режиме холостого хода по нагрузке, она остается высокой во всем диапазоне режимов работы дизеля по нагрузке. Это стало возможным благодаря непрерывному поддержанию температуры катализаторов не ниже заданной рабочей температуры катализатора.

Время регенерации ФЭ при установке входного окислительного нейтрализатора снизилось на 32%, а время между очередными регенерациями ФЭ возросло на 45%.

Предварительное смешение дополнительного топлива, в качестве которого использовался бензин, и воздуха при = 100% и М_d = 100% позволило снизить расход топлива на режиме регенерации ФЭ примерно на 3,5%. Причем на режиме холостого хода по и М_d эффективность влияния предварительного смешения вторичного воздуха и дополнительного топлива (бензина) на расход этого топлива снижается, но незначительно.

Потери полного давления в потоке ОГ на номинальном режиме работы двигателя по оборотам за счет предварительного смешения вторичного воздуха и бензина были снижены примерно на 14,5%. Его влияние на режимах холостого хода по оборотам заметно меньше и равно примерно 8%.

Предварительный подогрев смеси в теплообменнике 10 на номинальном режиме ( = 100% и M_d = 100%) снизил расход дополнительного топлива примерно на 11,5%. На режимах холостого хода по нагрузке положительное влияние предварительного подогрева смеси на расход этого топлива менее значительное.

Наиболее сильное влияние на расход дополнительного топлива оказывает коэффициент избытка окислителя . Нарушение условий = 1 в зоне горения в пределах воспламеняемости смеси приводило к увеличению его расхода до 30%.

Применение одновременно трех технических решений: предварительного смешения дополнительного топлива и вторичного воздуха, предварительного подогрева образовавшейся смеси с помощью ОГ и поддержание с заданной точностью в зоне горения смеси в КС = 1 с учетом измеренной концентрации [О₂] в ОГ за 100 циклов регенерации ФЭ позволил повысить экономичность процесса регенерации более чем на 25%.

Функционирование системы регенерации ФЭ в автоматическом режиме подтвердило ее высокую надежность, экономичность и эффективность на всех режимах работы двигателя КАМАЗ 7408.10.

Предложенный способ очистки ОГ от твердых частиц может быть использован в других энергетических установках, где осуществляется сжигание углеводородного топлива, например в котлах ТЭС, ТЭЦ и т.д. Причем построение системы регенерации окислительных нейтрализаторов и ФЭ в таких энергоустановках будет намного проще, так как их режимы работы отличаются от режимов работы дизельных двигателей стационарного расхода и состава ОГ.