Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Комбинированный метод очистки отработавших газов дизеля с использованием фильтра и присадки к дизельному топливу

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Комбинированный метод очистки отработавших газов дизеля с использованием фильтра и присадки к дизельному топливу"

На правах рукописи

САЛАХВДИН ЫУСА ЛБУ АДЖАМЙЕ

КОМБИНИРОВАННЫЙ !1ЕТ0Д ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФИЛЬТРА И ПРИСАДКИ К ДИЗЕЛЬНОМУ ТОПЛИВУ

11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

06.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученое степени кандидата технических наук

Москва- 1995

Работа выполнена на кафедре комбинированных двигателей внутреннего сгорания Российского Университета дружбы народов.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент И.В. Ермолович.

Научный консультант: академик МАНЭБЖ кандидат технических наук, доцент В.И. Тагасов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор И.Л. Варшавский кандидат технических наук Е.Г. Пономарев

Ведущая организация - Научно-исследовательский автотракторный

институт (НАТИ)

Защита диссертации состоится " 14 Г ноя б ря_ 1995 г.

в 17°° часов на заседании диссертационного совета К 053.22.26 в Российском Университете дружбы народов по адресу: 117302 г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3.

С диссертацией модно ознакомиться в научной библиотеке Российского Университета дружбы народов (117198- г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6).

ПИ »

Автореферат разослан 13 октября 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. х. н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Проблемы охраны окружащей среды в настоящее время приобретают межнациональное значение. Доля отработавших газов двигателей внутреннего сгорания в общем загрязнении атмосферы промышленными выбросами составляет 80-85 %, из которых на долю дизелей приходится не менее 60-65 %. В ОГ дизелей содержится свыше 200 токсичных элементов, из которых наибольшую опасность представляют окислы азота и сака. Содержание оксидов азота в ОГ дизелей доходит до 0,5 % (по массе), содержание сажи до 1,0-1,1 г/м3. Токсические свойства саки обусловлены не углеродом, а присутствием на ней канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Относительно крупные частицы размером от 2 до 10 мкм выводятся из организма, а мелкие размером до 2 мкм в задерживаются легких, вызывают аллергию дыхательных путей .

В настоящее время сформировались четыре направления по снижению токсичности ОГ: разработка малотоксичных рабочих процессов; применение присадок к топливу; применение альтернативных видов топлив; разработка системы нейтрализации ОГ и систем улавливания сажи.

Очевидно, что создание малотоксичных силовых установок с ДВС возможно только при комплексном применении всех указанных мероприятий. Применение малотоксичных рабочих процессов возможно только на стадии разработки новых моделей ДВС. Применение альтернативных топлив также требует создания новых или модифицированных систем топливоподачи, По этому для снижения токсичности ОГ дизелей, находящихся в эксплуатации, перспективными являются применение присадок к дизельному топливу и разработка систем улавливания сажи, которые можно устанавливать в выхлопные системы без существенного изменения их конструкции. В настоящее время ведется интенсивная разработка систем улавливания сажи, содержащейся в ОГ дизелей. Известны разработки фирмы Бош (Германия), Корнинг Гласс и Вибаста (США). Но при практическом осуществлении систем встречаются серьезные трудности. Применяемые обычно фильтрующие элементы представляют пористую структуру из гранулированного или волокнистного материала, на поверхности которого с целью регенерации фильтра осуществляется процесс сжигания саки и других продуктов неполного сгорания.

При температуре 500 °С горение частиц сажи происходит самопроизвольно. Однако такая температура 0Г. не типична для

реальных условий эксплуатации дизелей. Поэтому применяются различные, достаточно сложные и дорогие автоматизированные системы облегчения воспламенения частиц для обеспечения регенерации фильтров. Это приводит к усложнению систем фильтрации, снижению надежности фильтрующих элементов из-за больших термических напряжений, резкому повышению стоимости силовых установок, оснащенных дизелями и, как следствие, к ограниченному применению систем фильтрации ОГ. Ввиду этого в настоящей работе ставилась задача разработки качественно нового термостойкого элемента на основе пенометалла и разработки способа очистки фильтра ОГ дизеля, основанного на каталитической саморегенерации фильтрующего элемента. При этом фильтрующий элемент- должен иметь ресурс, соизмеримый со сроком службы автомобиля или другой установки, оснащенной системой фильтрации.

Цель работы. Разработать саморегенерирувдийся сажевый фильтр для систем очистки ОГ дизеля,обладающий степенью очистки 80 - 90%.

Научная новизна. Предложен метод комбинированной очистки очистки отработавших газов дизеля, основанный на совместном применении сажевого фильтра изготовленного из пенометалла, обладающего каталитической активностью (пеноникеля) и металлоор-ганической присадки к топливу (ферроцена), позволяющей реализовать саморегенерацию фильтра.

Разработана конструкция сажевого фильтра, в котором применены фильтрующие элементы изготовленные из пенометалла на основе никеля.

Разработаны методики стендовых моторных испытаний, термогравиметрических исследований металлосодержащих соединений, и исследований фильтрующей . и каталитической способностей пеноникелевых фильтрующих элементов.

Методы исследования. При выполнении работы применялись расчетные и экспериментальные метода исследования. Обзор и анапиз состояния вопроса осуществлялся по научным публикациям, отечественным и зарубежных патентам. Проведен сравнительный анализ механизмов сажеобразования, эффективности существующих антидымных присадок к топливу и механизмов сажеподавления, разработанных систем улавливания саки, содержащейся в ОГ дизелей. Применен метод термогравиметрического исследования выгорания дизельной саки в присутствии металлоорганических соединений, проведены лабораторные исследования фильтрующей и каталитической способностей пеноникелевых фильтрующих элементов. Экспериментальные

исследования эффективности очистки отработавших газов от сажи при комплексном применении фильтра и присадки (ферроцена) к топливу на дизеле 14 8,5/11 осуществлены при применении современных методов измерения и регистрации параметров исследуемых процессов и в достаточном объеме.

Практическая ценность. Использование разработанного способа очистки отработавших газов дизелей позволит улучшить экологическую обстановку в регионе. Очистка сажевого фильтра от сажистих частиц, которые улавливаются и накапливаются в порах фильтрующих элементов осуществляется без применения дорогой и сложной системы, и что наиболее важно, без существенного повышения теплового воздействия на фильтр.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на научно-технических конференциях инженерного факультета РУДН в 1993 и 1994 гг., на научном семинаре в МГТУ им Н.Э.Баумана в декабре 1994 г. и на двух научных конференциях (1993 и 1995 гг.) в городе Владимире.

Публикации работы. По результатам исследований опубликованы три печатные работы. Одна статья находится в печати.

Объем работы. Диссертация состоит из введения,четырех глав, выводов, списка литературы из 108 наименований. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, включая 34 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Первая глава характеризует состояние исследуемого вопроса. В главе проведен обзор и анализ работ, посвященных исследованию механизма сажеобразования, образованию зародышей частиц сажи, их структуры и размеров.

Обзор литературных источников позволяет сказать, что до настоящего времени не существует единой, целостной теории сажеобразования в дизеле,целиком согласующейся с опытными данными. В данной работе принята гипотеза, в которой процесс сажевыделения рассматривается как двухстадийный, включающий стадию образования зародышей и рост сажевых частиц, и стадию выгорания сажи.

В настоящей работе принята физическая модель образования зародышей частиц сажи, которая развита в работе Теснера.' По Теснеру процесс протекает в две стадии. На первой стадии в результате объемных газофазовых реакций образуется зародыш частицы, на второй стадии происходит поверхностный рост частицы. Обе фазы протекает в объеме одновременно с конкурирующими

3

скоростями. Так как энергия активации первой стадии значительно превосходит энергию активации второй стадии, то более медленной (лимитирующей) стадией результирующего процесса, является стадия образования зародышей. Соотношение скоростей обоих процессов зависит от степени насыщения системы образующимися зародышами. По мере увеличения концентрации зародышей скорость их образования снижается, а скорость роста увеличивается. Частицы сажи имеют сферическую форму, средний диаметр бор=0,03-0,05 мкм, удельная поверхность Эуд=80-175 м2/г.По дисперсности и внутренней структуре дизельная сажа • аналогична высокодисперсносным промышленым сажам типа ТГ и МП-100. Однако в процессе прохождения через выпускные органы дизеля, выпускной канал коллектора, происходит дальнейшая коагуляция частиц сажи до размера в 4-5 мкм.

Для уменьшения содержания сажи в ОГ применяются присадки к топливу, содержащие щелочные, щелочно-земельные металлы и металла переходной валентности. Единая теория, объясняющая их действия не процессы сажеобразования, в настоящее !время не разработана. Результаты применения присадок достаточно противоречивы и не содержат объяснения их действия на процессы окисления саки. I настоящее время проводятся работы по созданию системы фильтрацю сажи. Распространенной является конструкция с керамическим сажевш фильтром фирмы "Корнинг-Гласс" (США) и системой регенерации в вид« горелки и электронной системы управления обеспечивавдей степен] очистки до 70-75 %. Однако эти системы дороги и обладают низко] надежностью. Сведений о применении в качестве материала да: фильтрующего элемента пенометалла как более прочного, нет. Вввд; этого необходима разработка альтернативного варианта заключаю щегося в разработке саморегенерирующегося сажевего фильтра дл. систем очистки ОГ дизеля, обладающего степенью очистки 85-90 %.

Для реализации этой цели неохобдимо решить следующие задачи:

1. Провести лабораторные термогравиметрические исследования влия ния металлоорганической присадки на температуру окисления сажи.

2.Провести стендовые исследования влияния металлоорганическо присадки на содержание сажи в ОГ дизеля и на его экономически показатели.

3.Провести лабораторые исследования фильтрующей способном элементов, выполненных из пенометалла..

4.Провести лабораторые исследования каталитического влияю элементов из пенометалла на токсичность ОТ дизеля.

5. Провести конструкторские разработки по созданию фильтра с фильтрующими элементами из пенометалла.

6. Провести стендовые лабораторные испытания дизеля с фильтром из пенометалла с целью оценки его эффективности.

Во второй главе приведены результаты термтравиметрических исследований воздействия металлосодержащих присадок на сгорание саки. На процессы выгорания сажи существенное влияние могут оказывать каталитически активные соединения, которые можно рассматривать в качестве поставщиков активных частиц-возбудителей гетерогенного катализа в окислительных процессах, идущих на поверхности частицы.Сущность гравиметрического метода заключается в том, что испытуемое вещество в присутствии активатора периодически нагревается до все более высокой температуры; в перерывах термической обработки оно охлаждается и взвешивается. Внеся результаты взвешивания, относящиеся к отдельным температурам, в координатную систему "температура-вес'', и, соединив серию точек в линию, получают гравиметрическую кривую. Метод деривативной термогравиметрии позволяет определить вес, температуру, скорость изменения веса и изменение энтальпии испытуемого вещества. В проведении исследований принимал участие инженер-химик Андревнко Э. Ф. исследования, проведенные на образцах дизельной сажи, а также измельченного графита, показали, что температура горения углерода может быть существенно снижена при добавлении к нему ряда металлосодержащих соединений, включая соли как переходных металлов, так и некоторые соли щелочных и щелочноземельных металлов. Анализ результатов исследования позволяет выявить ряд общих закономерностей в выборе активаторов горения сажи. Эффективность активатора повышается в группе и периоде по мере возрастания атомного номера или атомного веса содержащегося в нем металла-катиона. Так, в ряду катионов: хром; марганец; железо; кобальт (4 период таблицы Д.И. Менделеева) температура 30-процентного окисления сажи снижается более чем на 150 'с, достигая 300 'С. Установлено также некоторое снижение температуры окисления сажи по мере возрастания атомного номера в исследуемой груше щелочноземельных элементов.

Кроме того, во второй главе приведены результаты лабораторных исследований фильтрующих элементов, лабораторных испытаний каталитической активности пенометаллического никелевого катализатора, расчетно-экспериментальные исследования пористых

фильтров отработавших газов дизеля и лабораторных исследований фильтрующей способности пористой среда из пеноникеля.

В качестве материала для фильтрующего элемента в данном случае был выбран пенометалл на основе никеля. Раннее применение пенометаллов в качестве фильтрующих элементов сажевых фильтров не отмечалось. Выбор материала продиктован следующими соображениями: повышенная термическая прочность фильтрующих элементов по сравнению с элементами, изготовленными из керамики; возможность проявления синергического каталитического эффекта при применении присадок к топливу, снижающих температуру окисления ' сажи и наличие производственных мощностей по изготовлению фильтрующих элементов из пенометалла на основе никеля. Характеристики серийно-выпускаемого пенометалла представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Сертификат на химические свойства пеноникеля

Наименов. хим. элем. N1 Со Ре Си РЬ Аз

Массовая доля, % 99 не менее о;о5" <о,иь <и,СЮ2 и,6-1,0. <0,003 <и,0(-Ш < 0,0005

50 В1 0(1 8П Щ Р С Б

<0,0002 <0,0001 <0,0003 <0,002 <0,001 <0,0005 <0,005 <0,004

Таблица 2. Физико-механические свойства пеноникеля

. N N ' п /п 1 2 3 4 5 6 7

Марка металла К (20) К (20) Б(10) 0(10) Я(5 ) И(5 ) 1(5 )

размер пор, мм 3-5 3-5 0,5-0,8 0,3-0,5 0,5-0,8 0,3-0,5 0,3-0,5

Плотн. г/см3 0,2 0,3 0.4 0,5 0,3 0.5 1.0

Пористость, % 97,5 96,5 95.5 94,0 96,5 94,5 88,4

Врём.сопр.при сжат., МПа 0,45 1,30 12,80 20,70 22,70 54,30 153,30

Врем.сопр.при раст., МПа 5,50 11,00 13,90 18,90 22,80 19,60 27,.0

Отно.удл. Е, % 10,2 10,1 8,7 6,7 7,0 10,7 .9,6

Проницаемость воздуха»!О"3 5,50 5,50 0,86 0,61 0,90 ■ 0,68 0,34

Среди новых и перспективных катализаторов для окислительного дегидрирования непредельных углеводородов и монооксида углерода используются ферритосодержающие системы. Эти системы состоят из оксида трехвалентного железа ?ег 03 и оксида двухвалентного металла (II- Ип, Со, N1, С! и др.) и.могут образовывать структуры

типа шпинели и гранита. Кроме этого, в литературе указывается на возможность использования ферритных катализаторов на поверхности различных носителей, имеющих пористую структуру. При этом указывалось, что ответственной за каталитическую активность в реакции окисления является ферритная фаза М-Ре2 0Л ( где М- Со, Щ, гп, N1).Можно предположить, что при использовании ферроцена в качестве присадки к топливу, в процессе сгорания образуются оксиды железа, которые осаждаются на пористой структуре фильтрующего элемента и образуют композиции типа Ре2 03 и М- N1. Как указывалось, такие структуры могут служить катализаторами монооксида углерода. С целью проверки этого предположения образец никелевого катализатора массой 0,125 г и толщиной 3 мм (3 слоя по 1 мм) с нанесенной на его поверхность ферритной фазой Рэ20д испытывали в течении 5 часов на реакцию окисления с кислородом в температурном интервале 250 - 420°С. Объемная скорость подачи реакционной смеси - 10 мл/мин, состав: 02 - 98 Ж, СО - 2%. В испытаниях принимал участие к.х.н. Н. И. Лебедец. Анализ продуктов реакции проводили на газовом хроматографе. Установлено, что оптимальная температура окисления СО составлает около 350°С. Степень конверсии СО в исследуемых условиях составляла 80 % За 5 часов работы образец катализатора сохранил каталитическую активность. Аналогично можно предположить, что выгорание частиц сажи на исследуемых катализаторах происходит по каталитическому стадийному механизму. И очевидно, имеет место диффузия кислорода катализатора к углероду с образованием промежуточных соединений углерода с катализатором.

Механизм процесса переноса кислорода от катализатора к окисляющемуся углероду окончательно еще не выяснен и подлежит более глубокому изучению. Однако можно высказать мнение, что в данном случае имеет место миграция кислорода от поверхности катализатора к углероду, а энергия связи кислорода окислов металлических элементов влияет на каталитическую активность катализатора. Чем меньше энергия связи кислорода, тем выше активность катализатора. Таким образом, применяемый пенометалл на основе никеля в присутствии оксидов железа обладает каталитическими свойствами. Реакция окисления монооксида углерода протекает при температуре ОГ реализующейся при эксплуатационных режимах.

Характеристиками пористой среды фильтрующей перегородки является коэффициент пористости рп, длина поровых каналов 1п,

коэффициент их извилистости, максимальный и условный размеры пор °пмах и V распределение размеров пор, удельная пропускная способность или гидравлическое сопротивление, коэффициент проницаемости, коэффициент отсева.

0 _ _ _ уп ор ~ \ V \ср;Ум-соответственно объемы

п 'пор ~ ~ \~ср пор, пористой среда,и материала

Эффективная пористая среда с учетом сквозных пор составляет 95 % общей пористости. В данном случае коэффициент пористости определялся по плотности материала. Размеры условных пор определяются непосредственно по размерам задерживаемых частиц. Этот метод позволяет исключить из специального рассмотрения силы инерции, диффузии, адгезии, электростатические и др., действующие на частицу при ее проходе через пористую перегородку и влияющие на вероятность ее задержания. Для расчета фильтра необходимо знать законы движения газа через пористую перегородку. Однако это движение имеет очень сложный характер, т.к. скорость газа неоднократно меняется по направлению и величине, и кроме этого, звисит от переменных режимов работы двигателя . Для упрощения применяется средняя скорость движения газа в порах.

о, где От-фактический расход газатор-площадь

» = —-- , нормального сечения пористой среды,

уср'Рп рп-коэффициент пористости.

В пористых материалах поровые каналы расположены произвольно и имеют множество расширений, сужений и изменений направлений. По этому сопротивление фильтрующей среды складывается из потерь на трение, расширение (сужение), изменение направления и выражается уравнением.

^ = £ 1Г + ^ + ,р2

\ ' .

где: -коэффициент потерь на трение, Хп-длина отдельного учас^а порового канала,<3^ диаметр поры,ГС21-скорость потока после расширения (сужения),у-число местных расширений (сужений) и изгибов канала ш-показатель степени,-коэффициент местного расширения (сужения), (^-коэффициент учитывающий изменения направления,рг-плотность газа.

Данная формула не может быть использована в практических расчетах, т.к. содержит трудно поддающиеся измерению величины. Однако она позволяет оценить качественное влияние различных факторов на сопротивление фильтрующей среда.

Эффективность очистки за один проход фильтруемого газа или

жидкости определяется коэффициентом отсева ср.

С. - С количество (масса или концентрация)

Ф = ——р—— , где См С загрязняющих примесей на входе и

* выходе из него.

Эффективность очистки определяется также коэффициетом пропуска.

тг-

Общий коэффициент отсева ф^, и коэффициент пропуска е^ системы очистки, . состоящий из Ъ последовательно включенных элементов очистителей, соответственно равны.

1=2 1=г 1=2

ЧЪ = I Ч' \ = 1 ' П О - ^'Ф^ • е2 « П О - т^.ф^)

1=1 1=1 ----- 1=1

где ф±, е1 - коэффициенты отсева и пропуска 1 очистителя, соотносительное количество загрязняющих примесей перед 1 очистителем по отношению ко всему количеству загрязнений в системе, п^-относительнов количества газа или жидкости, проходящее через 1 очиститель от их общего количества.

Экспериментально определены максимальные частицы по диаметру до и за фильтрующей перегородкой, коэффициент отсева, а так же гидравлическое сопротивление. Продувки производились как чистым воздухом, так и смесью воздуха с кварцевой пылью в диапазоне изменения максимальных диаметров частиц шли от 50 до 500 мкм. Обработка результатов продувок пористых перегородок с различным коэффициентом пористости позволила построить зависимости изменения максимальных диаметров частиц проскока от коэффициента пористости при постоянном расходе газа, соответствующего расхода ОГ дизеля на режиме номинальной мощности. Увеличение коэффициента пористости (3 с 0,2 до 0,8 приводит к резкому увеличению максимального диаметра частиц проскока с 25 до 98 мкм и соответственному падению коэффициента отсева (р. . Однако следует отметить, что продувки фильтрующих материалов смесью воздуха и кварцевой пылью дают, как правило, заниженные результаты, ибо отсутствует их коагуляция вследствии низкой слштаемосги частиц. Поэтому можно ожидать при фильтрации сажи ОГ дизеля уменьшение максимального диаметра частиц проскока. Были также получены результаты влияния толщины фильтрующего элемента на гидравлическое сопротивление. При этом можно предположить, что толщина фильтрующего элемента прямо пропорциональна длине порового канала. Исследование влияния толщины фильтрущего элемента с коэффициентом пористости 0,4 на

аэродинамическое сопротивление фильтра показали, что сопротивление фильтрующего элемента при продувке его смесью воздуха и кварцевой пыли с максимальным размером частицы 100 мкм возрастает линейно при толщинах до 15 мм, затем начинает резко возрастать по сравнению с сопротивлением фильтрующей перегородки при продувке чистым воздухом. Это можно объяснить закупоркой пор при увеличении длины порового канала. По этому можно сделать вывод о нецелесообразности увеличения толщины единичной перегородки свыше 10-12 мм.

В третьей главе изложена методика проведения эксперимента и даны описания экпериментальной установки с двигателем 14 8,5/11, включая дизель и его агрегаты, измерительную и регистрирующую аппаратуру. Дана оценка точности измерения и погрешности опытов и описание аналого-цифровой системы индицирования. Для замера давлений применялся пьезодатчик Т-200, Оброботка индикаторных диаграмм проводилась по обычной методике численного интегрирования с применением ЭВМ. Измерение дымности ОГ контролировалось методом фильтрации с использованием комплексного сажемера фирмы Бош. Угол опережения впрыскивания топлива (0) подбирался при работе на дизельном топливе и дизельном топливе с присадкой. Для его регулировки создано специальное устройство на двигателе. Все испытания проводились на установившемся режиме, на дизельном топливе марки Л ГОСТ 305-82, со снятием скоростных и нагрузочных характеристик.

В четвертой главе приведен анализ результатов экспериментальных исследований применения сажевого фильтра на основе пенометалла и металлоорганической присадки.

Испытывался макетный образец сажевого фильтра для дизелей, в конструкции которого удалось избежать указанных в обзоре недостатков фильтров с керамическим материалом.

Исследоваемый макетный образец сажевого фильтра с металлоячеестой матрицей (рис.1.), был установлен в выпускном трубопроводе дизеля 14 8,5/11. Двигатель оснащался комплектом пенометаллических фильтров, расположенных по потоку с учетом последовательного уменьшения размеров пор в каждом фильтрующем элементе. Подобное размещение элементов позволило увеличить сажеемкость фильтруицего устройства и обеспечило более равномерное распределение сажистых частиц то его объему. Для более равномерной загрузки фронтальных поверхностей фильтрующих элементов использовались конический обтекатель и завихритель потока с

профилированными лопастями. На рис.2, представлена внешняя скоростная характеристика' дизеля без фильтра и с фильтром в исходном состоянии. Из графика видно, что эффективность очистки ОГ от сажи на фильтре составляет 50 %. Присутствие фильтра на выпускном трубопроводе не оказало существенного влияния на экономические и мощностные показатели двигателя.

Значительные трудности при разработке сажевых фильтров связаны с проблемой их регенерации - периодической очисткой от углеродистых и аэрозольных частиц, которые улавливаются и накапливаются на фильтре. • Предлагаемый фильтр, материал которого содержит в своем составе ряд химических элементов, обладает каталитической активностью и способствет снижению температуры окисления сажистых частиц с 550 °С до 350 - 400 'С. Испытание пенометаллического сажевого фильтра производилось на дизеле 14 8,5/11. Во время испытаний двигатель работал на режиме постоянной мощности , равной 4,2 кВт при частоте вращения 1500 мин-'. При проведении испытаний регистрировались следующие параметры: температура на входе и выходе фильтра, сопротивление фильтра,содержание сажи в ОГ до и после фильтра. Продолжительность испытаний определялась временем достижения сопротивления фильтра величины Р = 5 кПа. При испытании сопротивление фильтра увеличивается не плавно, а с одновременно периодическими незначительными снижениями. Это означает, что на фильтре идет процесс окисления Солее мелких частиц сажи, о чем свидетельсвуют периодические колебания температуры газа на выходе из фильтра в пределах 15-20 °С. Результирующее накопление сажистых частиц объясняется тем, что каталитическая активность фильтрующего материала недостаточна для выжигания более крупных частиц сажи при температуре 350°С. Кроме того, следует отметить, что сопротивление фильтра достигло значения 5 кПа после 8 часов работы дизеля.

В четвертой главе также рассмотрены результаты экспериментальных исследований влияния добавки <£ерроцена к топливу на содержание сажи в ОГ дизеля. Для исследования эффекта воздействия ферроцена на дамность ОГ были сняты нагрузочные характеристики с индицированием при помощи аналого-цифровой системы и измерением дымности прибором Бош. Зависимость выброса сажи от нагрузки получена при работе на дизельном топливе и на дизельном топливе с концентрацией ферроцена в количесве 0,02 % , 0,03 %, и 0,05 % по массе. Результаты эксперемэнтов на дизельном топливе, и дизельном

Рис.1.

Схема макетного образца свжевего фильтра

1. Завихритель

2. фильтрующий элемент (пеноникеля)

изо и»

•иг ' >и: *

Рис.2.

Внешние скоростные характеристики дизеля 14 8,5/11 - без фильтра

--- — с фильтром (исходное состояние)

топливе, с присадкой ферроцена показали, что на режимах малых нагрузок имеется небольшой эффект от добавки ферроцена к дизельному топливу. Наилучший эффект достигается на режимах максимальной нагрузки и номинальной мощности. Ввиду этого дальнейшие опыты были проведены на режиме работы дизеля п = 1500 мин-1 , Ne = 4,8 кВт, результаты опытов показали, что наибольший эффект достигается при содержании ферроцена 0,05 % в топливе. При этом содержание сажи в ОГ снижается на 30 %. Дальнейшее увеличение концентрации ферроцена не приводит к изменению содержания сажи в ОГ. Характеристики тепловыделения дизеля 14 8,5/11 представлены на рис.3. Двигатель работал на дизельном топливе без присадки и дизельном топливе с 0,05 % ферроцена. Обработка данных индицирования показала, что ферроцен не оказывает влияние на жесткость и величину' максимального давления сгорания Pz, т.е. на динамику тепловыделения в первой фазе. В месте с тем видно активирующее воздействие ферроцена на процесс сгорания сажи т.е. на вторую фазу тепловыделения. При этом уменьшается продолжительность сгорания ср . Кроме того, при работе на топливе с ферроценом максимальное теплоиспользование достигает своей

величины при. угле ср = 45° пкв после ВМТ, в то время, как на топливе без присадки ферроцена - при <р = 60°пкв после ВМТ. Положение первого максимума практически сохраняется,

положение второго максимума (dÇ/dip)^^ сдвигается влево на 5 - 7° пкв после ВМТ, а его величина повышается. Таким образом, эффективность цикла возрастает. В результате можно сделать выводv что добавление ферроцена к топливу в основном сводится к увеличению скорости и полноты процессов диффузионного догорания, т.е. приводит к резкому сокращению длительности догорания сажевых частиц уже после достижения максимума давления.

Исследование влияния добавки ферроцена к дизельному топливу на процесс регенерации фильтра проводилось на макетном образце пенометаллического фильтра, установленном на дизеле 14 8,5/11. Топливо с ферроценом подавалось после 8 часов работы дизеля на чистом дизельном топливе, т.е. после того, как перепад давления на фильтре достиг Р = 5 кПа. Продолжительность цикла регенерации фильтра составляла 60 мин. Как видно на рис.4., в течении первых 20-и минут после введения в топливо присадки сопротивление фильтра практически на менялось, хотя при этом и регистрировалось некоторое повышение температуры газа на выходе из фильтра. По

Рис.3.

Храктеристюси тешюисгользоваяия дизеля 14 8,5/11

- дизельное топливо

----- дизельное топливо+0,05Яферроена

*г ; У X ' 1

" "~~' \ '!

/ '1 V,

( \ !

-с-г- 1 1

1 »51 ; 1 ! » ' ! I 1

1 :л

у—' ; ! • | \ ! ■ '

/ '

/ " 1 • !• —

> 1 3 * » * - • • '0 Ч -Э I*

Рис.4.

Изменения температуры О.Г., дымности С и сопротивленияфильтра ДР в зависимости от продолжительности работы Ы дизеля на номинальном режиме

истечении этого срока испытаний регистрировалось резкое возрастание температуры газов за фильтром с 350 до 505 °С, которое сопровождалось быстрым падением сопротивления фильтра. К концу этого испытания процесс выжигания сажи в порах фильтрующего элемента закончился, сопротивление фильтра сравнивалось с исходным, а температура газа за фильтром достигла значения, превышающего' среднюю температуру на входе в фильтр на 100 *С. Последующие испытания показали, что при длительной работе дизеля на топливе с присадкой процессы накопления сажи в порах фильтрующих элементов сопровождаются одновременным ее выгоранием, о чем свидетельствуют периодические колебания температуры газов на выходе из фильтра в пределах 20 - 40 °С при практически неизменной величине сопротивления фильтра, близкой по значению к исходной.

Результаты исследования показали, что применение присадки к топливу позволяет не только инициировать процесс регенерации фильтра в условиях относительно низких температур газовой среды, но и способствует снижению сажевыделения дизелем, что, в свою очередь, способствует уменьшению функциональной нагрузки на фильтр и повышению результирующего эффекта очистки отработавших газов от твердых частиц. Суммарная эффективность очистки от совместного применения присадки к топливу и пенометаллического фильтра для этого режима достигла 85 %. Кроме того следует отметить, что не было установлено никаких химических реакций между присадкой и материалом фильтра в исследуемых условиях.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен комплексный метод очистки отработавших газов от сажи на основе пенометаллического фильтра и металлоорганической присадки к топливу (ферроцена), позволяющий достичь 85 % степени очистки ОГ от сажи.

2. В результате анализа процессов сажеобразования можно принять двухстадийный процесс образования суммарного сажесодержания. Двух-стадайный характер процесса подтверждается полученными экперимен-тальными данными при индицировании рабочего поцесса дизеля.

3. Термогравиметрическими исследованиями установлено существенное снижение температуры сгорания саки до 350°С в присутствии железа в качестве активатора. Это дает основание рекомендовать ферроцен в качестве присадки к топливу для регенерации фильтра.

4. Исследованиями установлено, что применение ферроцена в качестве присадки к топливу позволяет интенсифицировать процесс сгорания

саки. Это приводит к сокращению длительности процесса тепловыделения и, как следствие, 'к улучшению индикаторного расхода топлива. Одновременно снижается содержание саки в ОГ дизеля до 30%

5. Элементы, выполнение из пенометалла, обладают хорошей фильтрующей способностью. Исследованиями установлено, что уменьшение коэффициента пористости |3 с 0,8 до 0,2 позволяет снизить максимальный диаметр частиц проскока с 98 мкм до 25 мкм(при продувке смесью воздуха и кварцевой пыли) при незначительном увеличении начального сопротивления фильтра. Стендовые испытания показали, что фильтр сконструктированный на основе указанных элементов, позволяет сократить содержание сажи в ОГ на 50 %. Применение фильтрующих элементов с переменной пористостью

.позволит существенно улучшить характеристики сажевого фильтра.

6. Фильтрующие элементы из пенометалла на основе никеля обладают каталитической активностью. Установлено, что при продувке смесью кислорода и оксида углерода в соотношении 4:1 при температуре 620 К происходит процесс окисления оксида углерода в диоксид. Это приводит к дополнительным улучшениям экологических показателей дизеля. Для улучшения каталитических свойств пенометалла необходимо добавление хрома и меда в пропорции Ы1:Сг:Си = 4:2:1. По результатам исследований опубликованы следующие работы:

1. И.В. Ермолович,В.М. Фомин, Салахеддин Муса Абу Адкамие. Разработка фильтра для очистки отработавших газов дизеля от саки. //Совершено, мощн., экономич. и экологич. показат. ДВС: Тез. докл. научно-практ. сем.-Владимир. 1994г. -ст. 109-110.

2. И.В. Ермолович, В.М. Фомин, Салахеддин Муса АОу Адкамие. Комбинированный метод очистки отработавших газов дизеля с использованием фильтра и присадки к дизельному топливу.//Совершено., мощн.экономич. и экологич. показат. ДВС: Тез. докл. научно-практ. сем.-Владимир. 1995г. -ст. 86-88.

3. И.В. Ермолович, В.М. Фомин, Салахеддин Муса Абу Адкамие. Комбинированный метод снижения сажесодержания в отработавших газах дизельных двигателе* . //тезисы докладов XXXI научная конференция профессорско-преподавательского состава инженерного факультета. РУДН М.: 1995 ст. 107.

4. И.В. Ермолович, В.М. Фомин, Салахеддин Муса Абу Аджамие. Комбинированный метод очистки отработавших газов дизеля с использованием фильтра и присадки к дизельному топливу. //Тракторы I

сельхозмашины. - 1995 (в печати). 16 ^

Sal ah Mdln liusa Hhisen Abu AJamieh (Jordan)

The combined method, of reduction of aoot content In diesel

exhaust gases by means of soot filter and admixture to fuel

The method of complex influence on soot content of diesel exhaut gases by means of using the admixture to fuel and the auto-regenerating soot filter, without impairment of technlco -economic Indices has been elaborated. As a result of laboratory experiments and diesel engine tests it has been found that the metallorganic admixture decreases soot content in combustion process by 30-35 % and reduces the temperature of soot oxidation to 290-300 'C.

Filter installation gives additional reduction of soot content by 80-85 %. The decrease in soot- oxidation temperature by using the admixture ensures the realization of the filter auto-regenerating by exhaust gas heat. The filter design has been suggested and the optimal admixture concentration has been determined. •

Салахеддан Муса Абу Адяамие (Иордания)

"Комбинированный метод очистки отработавших газов дизеля с

использованием фильтра и присадки к дизельному топливу"

Предложен метод комплексного воздействия на саяесодержание в ОГ дазоля путем применения присадки к топливу и саморегени-рувщегося свкевого фильтра без ухудшения технико-вкономические показатели дизеля. В реульгате лабораторных исследований и моторных испытаний дизеля усановлено, что моталлоорганические присадки уменьшает содержание саки в процесс сгорание на 30-35% и поникает температуру окисления сажа до 290-300 *С.

Установка фильтра позволяет дополнительно уменьшить содержание сажи на 80-85 %. Снижение температуры окисления сажи путем применения присадки позволяет реализовать саморегенврацию фильтра теплом отработавших газов.

Предложено конструкция фильтра определена оптимальная концентрация присадки.

f

I2.IÜ.5Sr. Объем In. л. Тар. 100 ■ là к. 511

Тял. ЬУДЕ. Ордаониквдзе, 3