Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Снижение дымности отработавших газов дизелей путем применения пенометаллических фильтров

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

Автореферат диссертации по теме "Снижение дымности отработавших газов дизелей путем применения пенометаллических фильтров"

На правах рукописи

п--:?' Г"-"'-

АБДЕЛЫ1АСЕР АВАД АЛЬ-АВЛД ХАСАН

СНИЖЕНИЕ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЕМ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕНОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное

использование природ 1Ы.х ресурсов 05.0-1.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на < оисканне ученой степени кандидат; технических наук

М юква-1998

Работа выполнена па кафедре комбинированных дипппелси сгорания инженерного факультета Российского университета дружбы

1!М\ rpeimei народом.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент, И. В. Ермолович. Научный консультпi it:

кандидат технических паук, профессор Ü.M. Taraco» Официальные оппоненты:

доктор технических.наук, профессор И.Л. Варшавский кандидат технических наук, доцен т C.1!. Деняиин

Ведущая организация - AMO "ЗИЛ"

Защита диссертации состоится «29» декабря 1998 г. л 13"" чпсов' иг заседании диссертационного сонета К 053.22.26 и Российском университете дружбы народов по адресу:

1 ¡7302, Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться и Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу:

117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. б.

Автореферат разослан <t »ноября 199S г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы.

Проблемы охраны окружающей среды приобрели в настоящее время настолько большое значение, что их решение перестало быть заботой правительств отдельных государств. Эта проблема приобрела межнациональное значение.

Доля отработавших газов двигателей внутреннего сгорания в общем загрязнении атмосферы промышленными отходами в крупных городах может составлять 80 - 85%, из которых на долю дизелей приходится около 50%. Отсюда очевидна актуальность снижения токсичных компонентов в отработавших газах дизелей.

В отработавших газах дизелей содержится свыше 200 компонентов, из которых наибольшую опасность представляют оксиды азота и сажа. Содержание оксидов азота в отработавших газах доходит до 0,5% (по массе), содержание сажи до 1,0-1,1 г/м3. Токсичное действие сажи обусловлено присутствием в ней канцерогенных полищдашческих ароматических углеводородов.

Требование по содержанию токсичных компонентов в отработавших газах дизелей все время ужесточаются. В частности, директивой ЕЭК ООН предусматривается с 1998г. ограничение содержание твердых частиц в отработавших газах дизелей до 0,1 г/кВт.ч.

При этом термин "твердые частицы", который применяется в стандарте, включает в себя частицы износа деталей двигателя, которые выбрасываются с отработавшими газами, сажу и аэрозоли, которые содержат частицы масла и несгоревшего топлива. Аэрозоли образуют растворимую фазу твердых частиц. В ряде исследований указывается, что доля растворимой фазы

твердых частиц (БОР) составляет 30 - 35 % от общего содержания. Содержание сажи составляет 65-70%.

В настоящее время для улавливания сажи в отработавших газах дизелей применяются сложные системы, состоящие из собственно фильтра и системы регенерации. Применяемые фильтры изготавливаются из керамики или металлокерамики, и основным их недостатком является низкая надежность. Фильтры разрушаются от вибрации и от термических напряжений, возникающих при регенерации фильтра. Поэтому основной задачей является разработка фильтрующих элементов из материалов, обладающих хорошими фильтрующими свойствами, но существенно превосходящих по своим прочностным характеристикам существующие керамические материалы. В качестве такого материала можно предложить пенометалла на основе никеля, технология массового производства которого в России была разработана в 80-ые годы.

Цель работы. Разработка усовершенствованной конструкции фильтра отработавших газов и определение оптимальных регулировок дизеля при его совместной работе с фильтром.

Научная новизна. Состоит в научно - методическом обосновании метода объемной фильтрации при применении пенометашшческих фильтрующих перегородок и определении условий совместной работы фильтр - дизель.

Разработана конструкция фильтра отработавших газов дизеля, с переменным коэффициентом пористости, в котором применены пенометаллические фильтрующие перегородки.

Разработаны методики стендовых моторных испытаний дизеля совместно с фильтром и лабораторных испытаний фильтрующего материала.

Получены новые данные о режимах совместной работы дизеля и фильтра, устанавливающие совместное влияние угла опережения впрыска

топлива и противодавление на экономические и экологические показатели

дизеля.

Методы исследования. При выполнении работы применялись расчетные и экспериментальные методы исследования. Обзор и анализ состояния вопроса проведен по публикации в российской и зарубежной научной периодике. Экспериментальные исследования, проведенные на лабораторной установке с целью определения фильтрующей способности пенометаллических перегородок и на моторном стенде с дизелем 1 Ч 8,5 /11 осуществлены с применением современных методов измерений и обработки результатов экспериментов.

Практическая ценность. Предложена конструкция фильтра переменой пористости для отработавших газов дизелей, осуществляющая объемный процесс фильтрации.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на научно - технической конференции инженерного факультета Российского Университета дружбы народов в 1997г.

Публикация по работе. .

По результатам исследований опубликованы две печатные работы.

Одна статья находится в печати.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, включая 30 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе, характеризующей состояние исследуемого вопроса, проведен обзор и анализ работ, , посвященных образованию твердых частиц в отработавших газах дизеля и проблемам их фильтрации.

Совершенствование методик и инструментальной базы исследований

з

состава отработавших газов дизеля привело к появлению в стандартах в начале 90 * годов термина "твердых частиц который заменил собой понятие "дымность отработавших газов". При этом ряд исследователей стали рассматривать отработавшие' газы как сложную неустойчивую аэродисперсную систему, которая содержит наряду с сажей и продуктами сгорания присадок к топливу, такясё жидкие частицы (в основном топливо и смазочное масло, не сгоревшие в камере сгорания'Дизеля ). Жидкие частицы образуют растворимую часть (БОБ) твердых^ частиц. Однако основную долю выбросов твердых' частиц составляют выбросы сажи (до 65 - 70 %). Очевидно, что фильтрация частиц сажи позволит существенно уменьшить общую массу твердых частиц в отработавших газов дизелей.

Несмотря на большое количество исследований (Соколик, Кнорре, Махов, Померанцев, Теснер, Мойрер и др.), процесс образования сажи не имеет законченной теории. В данной работе для анализа влияния режима работы дизеля на сажесодержание в отработавших газах принят двух стадийный механизм, включающий 'стадию образования зародышей сажевых частиц и стадию их выгорания. Соотношение скоростей этих процессов зависит от степени насыщения системы образующимися зародышами. По мере роста числа образовавших зародышей скорость образования снижается, а скорость роста частиц увеличивается. Нагрузка дизеля влияет не только на количество образовавшихся частиц, но и на их дисперсность. При работе на малых нагрузках наибольшую вероятность образования имеют частицы диаметром 1-2 мкм, при увеличении нагрузки вероятности образования частиц диаметром до 10 мкм и частиц диаметром 1 - 2 мкм примерно равны. По дисперсности и внутренней структуре дизельная сажа аналогична высокодисперсным сажам марки ТГ и МП.

Анализ методов снижения токсичности отработавших газов позволяет выделить два наиболее распространенных методов: применение антидымных

присадок и фильтрация.

Результаты применения присадок достаточно противоречивы и не содержат обоснованных пояснений по механизму их действия. Поэтому достаточно, широко ведутся разработки систем фильтрации отработавши?, газов, на основе керамических или металлокерамических фильтров. Однако эти фильтры не обладают высокой , надежностью и прочностью. Применение пенометалла в качестве материала фильтрующих .перегородок осуществленное на кафедре "Комбинированных двигателей внутреннегс сгорания" Российского Университета дружбы народов, дало положительные результаты, что позволило наметить пути дальнейшего улучшения фильтра.

Для реализации этой цели были решены следующие задачи:

1- Проведены исследования, устанавливающие степень влияния противодавления, создаваемого фильтром, на экономические и экологические показатели дизеля и определены условия их совместной работы.

2- Поведен анализ исследований многофазного течения газа с целью оценки взаимодействия частиц между собой и со стенкой порового канала фильтрующей перегородки и обоснован механизма объемной фильтрации.

3- Разработаны методики и проведены лабораторные испытания пенометаллических перегородок и стендовые моторные испытания фильтра, установленного в выпускную систему дизеля.

4- На основе проведенных исследований предложена конструкцию фильтра отработавших газов.

Во второй главе изложен анализ работ в области исследования многофазных течений газа и выбраны расчетные зависимости, позволяющие оценить эволюцию системы газ - твердые частицы в выхлопной системе дизеля.

Течение многофазных смесей, состоящих из газа, взвешенных в нем капель и твердых частиц, представляет собой сложную систему, поведение которой определяется взаимодействием многих факторов. Один из них -аэродинамическое сопротивление при обтекании частиц газовым потоком, которое является единственным механизмом, приводящим частицы в движение и оказывающие тормозящие действия на несущую среду. Решение згой задачи невозможно без получения экспериментальных данных, получение которых требует проведения сложных и дорогих опытов. Практически все выполненные в этой области исследования посвещены изучению многофазных течений в аэродинамических решетках паровых и газовых турбинах или соплах ракетных и реактивных двигателей.

Значение силы сопротивления при движении частицы в газе определяется общей зависимостью:

где Б-площадь мидоевого,сечения частицы

Со - коэффициент аэродинамческого сопротивления

В работе для расчетов аэродинамического сопротивления была принята экспериментальная зависимость:

О, = 24- Ые1+4 • Не033 (Не < 100)

Влияние масштаба пульсации и теплообменом пренебрегали.

Во многих встречающихся на практике многофазных потоках важное значение приобретают явления дробления и ассимиляции частиц, под влиянием аэродинамических сил. Экспериментальное исследование поведения частиц ,, связано с преодолением серьезных методических трудностей. Поэтому до настоящего времени нет надежных методов количественного описания этого явления. Однако во всех работах предполагается, что устойчивость и разрушение частиц определяется зависимостью числа Вебера (\\^е), от числа Лапласа (Ьр). В настоящей работе

была принята зависимость:

\¥е = 17 ,5 Ь~РаЬ-в

где Ь - длина канала

В = 0,381'ОМ

п _ |о,256—прм£.р<1 а — (0,035-и/)м£р1>1

Условие взаимодействия частиц со стенкой порового канала

I

огфеделялось уравнением Лившица: .... •

Ью

* \6Шй , ■

где констант Ван - Дер Ваальса

Рад - сила адгезии - зазор между контактирующими телами.

Уравнение Лившиц позволяет определить предельную скорость, превышение которой приводит к отскоку частицы от стенки порового канала:

Г/ 73'5 /

V = ——м/с

а

где (1 - диаметр частицы в мкм.

В процессе течения отработавших газов дизеля до фильтра происходит укрупнение^частиц сажи. При оценке дисперсности частиц, сажи предполагалась, что распределение частиц подчиняется закону логнормального распределения.

/(5) =-т=^-ехр

1 е„з-е„5 г

2 <т,8

При этом также предполагалось, что в любом сечении выхлопной системы, в том числе и перед фильтром, распределение частиц подчиняется этому закону. Поскольку логнормальное распределение является двухпараметрическим, то для оценки эволюции размеров частиц в процессе

их адгезии необходимо знать размер частиц любой фракции и среднеквадратичное отклонение логарифма ся„6.

Для расчетов была принята зависимость, рекомендованная М.А. Григорьевым (НАМИ), для дисперсных кварцевых частиц.

0,5018 - ОД 895 \1&5

, В качестве начального распределения частиц сажи было принято распределение частиц сажи в выпускном коллекторе дизеля, приведенное в работах P.M. Петриченко, С.А. Батурина и Д. Д. Матиевского.

В результате проведенных расчетов было принято:

- средний размер частиц сажи на входе в фильтр при длине выхлопной трубы 2 м составляет 37 мкм, максимальный размер - 87 мкм.

- максимальная скорость фильтрации (скорость газа в поровом канале) не должна превышать 8 м/с.

- величина, сопротивления потоку газа, создаваемая частицами при их максимально допустимом содержании сажи в отработавших газов дизеля 1,1 г/ м3 пренебрежимо мала и составляет 0,18 Па.

В третьей главе излагаются методики стендовых моторных испытаний дцзеля в совокупности с фильтром и лабораторных испытаний фильтрующих элементов, на основе которых была разработана конструкция фильтра отработавших газов дизеля.

Стенд для лабораторных испытаний фильтра представлял пылевую камеру объемом 1м3 и замкнутой системой циркуляции воздуха. Циркуляция осуществлялась диафрагменным насосом. Камера оснащалась дозиметром льши, регулятором расхода воздуха и лазерным дифракционным анализатором,; который позволял определить дисперсию частиц по диаметру и массе. Конструкция камеры предусматривала, возможность осуществлять одноразовую или многоразовую прокачку пыли ч(ерез ¡фильтрующий элемент,

при этом во втором случае запыленность воздуха могла поддерживаться постоянной на заданном уровне.

Стенд для моторных испытаний состоял из балансирного эл. тормоза "Rápido" и вихрекамерного одноцилиндрового дизеля 1 Ч 8,5/11. Двигатель оснащен двухпоточной системой выпуска, причем в один из патрубков был установлен испытуемый фильтр. Система предусматривала возможность направления потока газа через фильтр, или мимо него. Помимо нагрузки, частоты вращения коленчатого вала и расхода топлива измерялось дымность отработавших газах прибором Бош и содержание оксидов азота (NOx) путем отбора в вакуумированные колбы с раствором Зальцмана. > ■ •

В четвертой главе излагаются результаты стендовых моторных испытаний дизеля совместно с фильтром и лабораторных исследований фильтрующих перегородок из пенометалла.

Анализ индикаторных диаграмм дизеля ЯМЗ-238, полученный в НАМИ при различных противодавлениях позволил предположить, что увеличение периода задержки воспламенения при увеличении противодавления и, как следствие,* ухудшение экономичности возможно в некоторой степени компенсировать увеличением угла опережения подачи топлива.

На рис. № 1 представлены зависимости оксидов азота N0* , сажи и удельного'расхода топлива ge в зависимости от изменения противодавления

АР, полученные на дизеле 14 8,5/11. Кривые были получены при начальном

оптимальном значении угла опережения впрыска топлива. = 22° пкв и

оптимальных углах 8011Т, подобранных для : различных значений

противодавления АР, которое изменились от 0,7 до 10 кПа. Как видно из

графика, увеличение противодавления АР при постоянном значении угла опережения впрыска топлива приводит к ухудшению эконрмичности дизеля, снижению выбросов оксидов азота и увеличению выбросов сзжи, что

соответствует выводам главы 1. При достижении противодавления АР величины 5 кПа ухудшение go достигает величины 1,5 %, что соответствует допуску на величину удельного расхода топлива, принятым заводом. При

дальнейшем росте АР до величины 10 кПа с целью уменьшения влияния АР

на ge необходимо увеличивать углом 0orrr. Однако это вызывает существенный рост содержания оксидов азота в отработавших газах. Таким образом, на данном этапе испытаний было выбрано предельное значение АР = 5 кПа.

На рис. 2 представлено графическое изображение изменения параметров фильтрации (диаметр частиц dnp, скорости фильтрации в поровом канале Wn, фракционной доли задержанных частиц qi) для пяти фильтрующих перегородок, составляющих фильтра. Параметры фильтрации каждой перегородки были определены путем продувок в пылевой камере. Эксперимент был проведен с использованием -метода дробного факторного эксперимента 2". Анализ полученной регрессивной зависимости позволил установить влияние на коэффициент фильтрации толщины фильтрующей

перегородки (до 16%), и коэффициент пористости Р (до 4%). В конструкции

фильтра применено пять фильтрующих перегородок ( Р = 0,884, 0,612, 0,436, 0,311 и 0,311) толщиной 20 мм и диаметром 150 мм, расположенных на расстоянии 5 мм друг от друга. Параметры перегородок выбирались таким образом, чтобы характер их изменения по оси потока приближался к логнормальному распределению частиц сажи по диаметру и массе.

Результаты испытания фильтра представлены на рис. № 3 и 4, на которых представлены скоростные характеристики дизеля 1 Ч 8,5/11, и

зависимости дымности С и противодавлении АР от времени работы фильтра. Как видно, применение фильтра переменной пористости по сравнению с фильтром постоянной пористости, позволяет осуществить более глубокую

зчистку отработавших газов. Снижение содержания сажй в отработавших газах на номинальном режиме в первом случае составило 1.9 единиц Бош (с 2,6 до 0,8), во втором составило 1,3 единиц Бош (с 2,6 до 1,4). Коэффициент фильтрации отработавших газов в первом - случае 0,97, во втором - 0,5.

iG/C»%

30 20 10 о

s

о Лго»% -5

s У /

Сс

NOx — •

,---

—-— ___—

0 ст

.

30 ОяЛисЬ

20

Ш Л£ к11а

Рис. 1.

Влияние противодавления ДР на экономические и экологические никтапели дизеля при 0,с. = 22° пкв (const) п переменном угле 0;« = var

_0,с = 22° икв

-------------Ojc» опт

Рис. 2.. Изменение параметров филиратш по длине фплмра I - перегородка 0 = 0,884 И - перегородка р = 0,012 111 - перегородка [i = 0,436 IV, V - перегородки (3 = 0,3 II

2.2 2.0 1.8 1.6

Мс. Н.М. 30

73

28

8е»

г/кВт.ч 300 290

280 270

__Г_--- -(

а

•

- -

_--в - ---

г^.... ____ — —т»

Мс

/У /У // Ч

Ее

-

1000

1100

1200

1300 Рис.3.

1400

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

о________о с фильтром постоянной пористости

х_______х с фильтром переменной пористости

с.

ся.бош 3.0

2.0 1.0

От. кг/ч

1.3

1.2

1.1

1.0

1500

Рис.4.

Изменение дымности, расхода топлива н нротиводашгсиия в зависимое! п от времени работы фильтра

1 - дизель, не оснащенный фильтром

2 - дизель, оснащенный фильтром достоянной пористости

3 - дизель, оснащенный фильтром переменной пористости

' Обработка результатов длительных испытаний позволила установить, что увеличение противодавления и сажеемкости фильтра хорошо описываются уравнением:

ДР = Рф0-е1,т>

АС = 0,35СШК-ОУ/Г' где Рфо - начальное противодавление фильтра

Опах - максимальное сажесодержание г/м3

Св - расход воздуха через дизель м'/ч

тр- время работы фильтра до регенерации

Время работы фильтра до достижении ЛР= 5 кПа равное 6,8 часа принято за время между регенерациями циклами для фильтра переменной пористости.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1- Обоснован и предложен способ организации фильтрации отработавших газов дизеля объемными пенометаллическими элементами.

2- В результате стендовых испытаний дизеля с противодавлением установлено, что увеличение противодавления до 5 кПа не вызывает существенных изменений показателей экономичности и токсичности. Ввиду этого предельным значением противодавления принято значение 5 кПа.

3- Ухудшение экономических показателей дизеля 1 Ч 8,5/11 при увеличении противодавления до 10 кПа может быть частично компенсировано увеличением угла опережения впрыска топлива.

4- Разработана конструкция фильтра переменной пористости, в котором осуществляется фильтрация газа в пористом объеме. Примененный фильтрующий материал (пенометалла) обладает

Примененный фильтрующий материал (пенометалла) обладает . высокими прочиостными качествами, что позволяет осуществлять многократную регенерацию с выжиганием сажи без повреждения конструкции.

5- Применение фильтра предложенной конструкции позволяет существенно снизить выбросы сажи. При установке фильтра в систему дизеля 14 8,5/11 достигнуто снижение содержание в ОГ дизеля с 2,6 до 0,8 единиц Бош. (коэффициент очистки составляет

6- Установка фильтра в выпускную систему дизеля 14 8,5/11 показала, что достижение противодавления 5 кПа происходит при работе на номинальном режиме лосле 7-8 часов работы, поэтому время достижения указанного противодавления можно принять за период между регенерациями фильтра.

7- Разработаны методы лабораторных и стендовых испытаний фильтра, которые можно применить в дальнейших исследованиях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1:. Фомин В.М., Абдельнасер Авад Хасан. К вопросу о расчете пенометашшческого фильтра отработавших газов дизеля. //Проблемы теории и практики в инженерных исследованиях. Труды XXXIII научной конференции РУДН. -М.: Изд-во РУДН, 1997. -С. 377-378.

2. О.С. Каленов, Абдельнасер Авад А.Х., И.В. Ермолович. К вопросу расчета размеров частиц в отработавших газах дизеля / Российский университет дружбы народов. -М., 1998. -7с., библиогр. - 2 наим. /Рукопись деп. в ВИНИТИ РАН/ 18.11.1998, № 3357-В98.

0,8).

ABDELNASER AWAD AL-Л VAD HASAN (PALESTINE)

Lowering content of soot in the diesels exhaust gases by filtration in metallic foams

Filter for diesel exhaust gases filtration designed. Filtering partitions made of metallic foam with different porosily coefficient are used in filter. The filter application in the exhaust system of the 1 4 8,5/11 diesel do not worsen the diesel performance in fuel consumption and do not increase the nitrogen oxides NOx content in gases while back - pressi e is under 5 кРа, that is equal to 6,3 hours filter duration before regeneration. Trie coefficient of gases filtration from soot is 95%.

ЛБДЕЛЬНЛСЕР АВАД АЛЬ-АВАД ХАСАН (ПАЛЕСТИНА)

Снижение дымности отработавших газон дизелей путем применения пеномсталлических фильтров

Предложена конструкция <;>ильтра отработавших газов дизелей. В конструкции применены фильтрующие перегородки из пенометалла с различными коэффициентами п.фистости. Установлено, что установка фильтра в выпускной системе дизеля 1 Ч 8,5 /11 не приводит к ухудшению топливной экономичности и увеличению оксидов азота NOx до

протниодаплення ДР = 5 кПа, что ¿¡леквагно длительности работы фильтра до регенерации 6,3 часа. Коэффицие! г фильтрации отработавших газов от сажи составляет 95%.

20.II.98г.

Тир. 100 Зак. 775

Объем In. л.

Тип. РУДН , Орджо никидзе, 3

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Абдельнасер Авад Аль-Авад Хасан, Москва

/

/

/

)

/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

СНИЖЕНИЕ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕНОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ

Специальность:

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование

природных ресурсов

05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент ЕРМОЛОВИЧ ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ

Научный консультант кандидат технических наук, профессор

УДК 622.692.4

На правах рукописи

Абдельнасер Авад Аль-Авад Хасан

ТАГАСОАВ. И.

Москва - 1998 г.

Содержание

Введение.........................................................................................................4

Глава 1. Образование твердых частиц в отработавших газах дизеля и проблемы их фильтрации................................................................................9

1.1. Образование аэрозолей при горении..............................................14

1.2. Сажеобразование в дизеле...............................................................16

1.2.1. Причины и механизм образования сажи в дизеле...............16

1.2.2. Образование зародышей частиц сажи. Структура и размеры сажевых частиц, образующихся в дизеле............................29

1.2.3. Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на дымность ОГ...........................................................................34

1.3. Проблемы фильтрации ОГ дизеля..................................................41

1.4. Выводы к главе 1 и постановка задачи...........................................47

Глава 2. Многофазные течение газа через пористую среду..............49

2.1.Аэродинамические сопротивления и взаимодействие частиц между собой............................................................................................................50

2.2. Столкновение частиц со стенкой канала..........................................55

2.3. Течение и очистка отработавших газов дизеля в пористой

перегородке.................................................................................................64

Глава 3. Методы лабораторных и стендовых испытаний пеномета-

лических пористых фильтров...........................................................................80

3.1. Методика лабораторных испытаний фильтрующей способности пенометаллических перегородок........................................................................80

3.2.Методика стендовых испытаний пенометаллических фильтров. ...84 Глава 4.Исследование совместной работы дизеля и фильтра

очистки отработавших газов............................................................................92

4.¡.Комбинированные методы уменьшения токсичности ОГ дизеля с

использованием фильтра....................................................................................92

4.2.Исследование влияния угла опережения впрыска и противодавления

на экономические, энергетические и экологические показатели дизеля.........97

4.3.Определение параметров фильтрации пенометаллических

перегородок..........................................................................................................101

4.4. Результаты стендовых испытаний дизеля 1 Ч 8,5/11, оснащенного

пенометаллическим фильтром...........................................................................102

Заключение и выводы............................................................................123

Литература...............................................................................................126

Введение

Проблемы охраны окружающей среды приобрели в настоящее время настолько большое значение, что решение этих проблем перестало быть заботой правительств отдельных государств, и приобретает межнациональное значение. Особое внимание проблемам экологии теперь уделяют не только правительства и региональные организации густонаселенных стран Европы и Америки, но также правительства стран Ближнего и Среднего Востока. Движение автомобильного транспорта и функционирование сельскохозяйственной, коммунальной и строительно - дорожной техники, оснащенной двигателями внутреннего сгорания, сопровождается загрязнением воздушного бассейна, выбросами токсичных газообразных и твердых веществ.

Следует отметить, что доля отработавших газов двигателей внутреннего сгорание в общем, загрязнении атмосферы промышленными выбросами составляет 80-85% , из которых на долю дизелей приходится не менее 60-65% .Отсюда очевидна актуальность задачи снижения содержания токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) дизелей. В ОГ дизелей содержится свыше 200 токсичных компонентов, из которых наибольшую опасность представляют оксиды азота и сажа. Содержание оксидов азота в ОГ

Л

дизелей доходит до 0,5% (по массе), содержание сажи до 1,0 - 1,1 г/м . Оксиды азота, взаимодействуя с парами воды воздуха, образуют азотную кислоту, которая разрушает легочную ткань, вызывая хронические

заболевания. Влияние оксидов азота на человека нельзя ослабить никакими нейтрализующими средствами.

Токсические свойства сажи обусловлены не углеродом, а присутствием на ней канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Относительно крупные частицы размером от 2 до 10 мкм выводится из организма а мелкие размером от 0,5 до 2 мкм, задерживаются в легких и вызывают аллергию дыхательных пути.

В большинстве государств приняты стандарты, ограничивающие содержание токсичных компонентов в ОГ вновь создаваемых и находящихся в эксплуатации дизелей.

Существование до недавнего времени нормы на дымность ОГ в большинстве случаев могли быть выполнены без установки в системе выпуска специальных устройств. Однако национальные стандарты и другая нормативно - техническая документация непрерывно ужесточает требования на содержание токсичных веществ и сажи в ОГ. Например, правила ЕЭК ООН № 49, предусматривают следующее изменения оценочных показателей.

Показатель до 10.93 с 10.93 с 10.96 с 1998

Оксиды азота, г/квт.ч. 15,8 8,0 7,0 5,0

Твердые частицы, г/квт.ч. 0,61 0,36 0,15 ОД

Ввиду этого необходимо разрабатывать комплексы мероприятий, направленных на снижение токсичности ОГ дизелей. В настоящее время сформировались четыре направления исследований в области снижения токсичности ОГ:

- Разработка малотоксичных рабочих процессов.

- Применение присадок к топливу.

- Применение альтернативных видов топлива.

- Разработка системы нейтрализации ОГ и систем улавливания сажи.

Очевидно, что создание малотоксичных силовых установок с ДВС

возможно только при комплексном применении всех указанных мероприятий.

Следует отметить, что применение малотоксичных рабочих процессов возможно только на стадии разработки новых моделей ДВС.

Применение альтернативных топлив также требует создания новых или модифицированных систем топливоподачи. Таким образом, эти направления весьма сложно реализовать на дизелях, составляющих действующий парк. Поэтому для снижения токсичности ОГ дизелей, находящихся в эксплуатации, перспективными является 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 фирм Бош (Германия ), Корниг Гласс и Вибаста (США). Но при практическом

осуществлении систем встречаются серьезные трудности. Применяемые обычно фильтрующие элементы представляют пористую структуру из гранулированного или волокнистого материала, на поверхности которого с целью регенерации фильтра осуществляется процесс сжигания сажи и других продуктов неполного сгорания.

При температуры 500 °с горение частиц сажи происходит самопроизвольно. Однако такая температура ОГ не типична для реальных условий эксплуатации дизелей. По этому 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, резком повышении стоимости силовых установок, оснащенных дизелями и, как следствие, к ограниченному применению систем фильтрации ОГ.

На кафедре "Комбинированные ДВС " в течение ряд лет ведутся работы по созданию фиьтрующих элементов из пенометалла с переменной пористостью, обладающих повышенной механической прочностью по отношению к керамическим.

Целью настоящей работы являлось исследование фильтрующих качеств элементов из пенометалла и разработка на базе этих исследований конструкции фильтра.

Для достижения этой цели былы решены следующие задачи:

- Проведен анализ механизмов образования аэрозолей и сажи при сгорании топлива в дизеле.

- Рассмотрен механизм взаимодействия частиц между собой и со стенкой канала фильтрующего элемента.

- Разработаны методики лабораторных и стендовых испытаний.

- Рассмотрены конструкции современных фмльтрующих систем и разработаны рекомендации по конструкции фильтра с перегородками из пенометалла.

- Проведены исследования совместной работы дизеля и сажевого фильтра.

Разработаный комплекс мероприятий может быть внедрен на силовые агрегаты, находящиеся в эксплуатации, без существенных изменений в их конструкции, что обеспечит удовлетворение требований новых стандартов к содержанию токсичных компонентов в ОГ дизелей. Этим подтверждаются актуальность данной работы.

Научную новизну составляет применение в качестве фильтрующих элементов новых пенометаллических материалов, а также комплекс методов расчета и методик испытаний, которые могут быть использованы в разработке новых видов фильтров.

ГЛАВА I

Образование твердых частиц в отработавших газах

дизеля и проблема их фильтрации.

Современные масштабы выпуска поршневых ДВС и их использование

привели к тому, что стало значительным их воздействие на окружающую среду. Условия существования жизни на земле возможны, как известно, в очень узких пределах изменения физических и химических характеристик окружающей среды. Размеры выбросов от ДВС таковы, что они существенно могут менять концентрации химических веществ, входящих в состав воздуха, воды, почв, которые становятся опасными для жизни биологических существ и прежде всего для человека.

В отработавших газах (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) насчитывается до 200 различных компонентов, основными среди которых являются представленные в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Компонент Концентрации % по массе Характеристики Токсичности

бензиновый д. Дизельный д.

Азот 74-77 76-78 не токсичный

Кислород 0,3 - 8,0 2-18 не токсичный

Пары воды 3,0 - 5,5 0,5 - 4,0 не токсичный

Двуокись углерода 5,0 - 12,0 1,0 -12,0 мало токсичный

Оксид углерода 0,5 - 12,0 0,005 - 5,0 Токсичный

Оксиды азота 0,01 - 0,8 0,004 - 0,5 Токсичный

Углеводороды 0,2 - 3,0 0,009 - 0,3 Токсичный

Альдегиды 0,0 - 0,04 0,001 -0,009 Токсичный

Сажа (г/м3) 0,0 - 0,4 0,01 -1,1 не токсичный

Бенз(а)пирен (мкг/м3) 0,0-20 0,0-10 Обладает канцерогенами свойствами

ГЛАВА I

Образование твердых частиц в отработавших газах дизеля и проблема их фильтрации.

Современные масштабы выпуска поршневых ДВС и их использование привели к тому, что стало значительным их воздействие на окружающую среду. Условия существования жизни на земле возможны, как известно, в очень узких пределах изменения физических и химических характеристик окружающей среды. Размеры выбросов от ДВС таковы, что они существенно могут менять концентрации химических веществ, входящих в состав воздуха, воды, почв, которые становятся опасными для жизни биологических существ и прежде всего для человека.

В отработавших газах (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) насчитывается до 200 различных компонентов, основными среди которых являются представленные в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Компонент Концентрации % по массе Характеристики Токсичности

бензиновый д. Дизельный д.

Азот 74-77 76-78 не токсичный

Кислород 0,3 - 8,0 2-18 не токсичный

Пары воды 3,0 - 5,5 0,5 - 4,0 не токсичный

Двуокись углерода 5,0 -12,0 1,0-12,0 мало токсичный

Оксид углерода 0,5 -12,0 0,005 - 5,0 Токсичный

Оксиды азота 0,01 - 0,8 0,004 - 0,5 Токсичный

Углеводороды 0,2 - 3,0 0,009 - 0,3 Токсичный

Альдегиды 0,0 - 0,04 0,001 - 0,009 Токсичный

Сажа (г/м3) 0,0 - 0,4 0,01 -1,1 не токсичный

Бенз(а)пирен (мкг/м3) 0,0-20 0,0-10 Обладает канцерогенами свойствами

Большинство продуктов выпуска токсично, в том числе сажа с адсорбированными на ее поверхности канцерогенными веществами, в первую очередь бенз(а)пирином.

Все национальные и международные стандарты ограничивают содержание токсичных компонентов в отработавших газах двигателей (таблицы 1.2 и 1.3) при этом периодически происходит ужесточение норм на содержание токсичных компонентов.

Совершенствование методик и инструментальной базы исследования состава ОГ двигателей привело к появлению в стандартах в начале 90 - годов термина "твердые частицы", который заменил собой понятие "дымности отработавших газов". При этом ряд исследователей стали рассматривать ОГ как сложную неустойчивую аэродисперсную систему, которая содержит следующие частицы:

1)жидкие частицы, содержащие в основном топливо и смазочное масло не сгоревщие в цилиндре.

2) сажу как продукт неполного сгорания.

3) продукты сгорания присадок к топливу и маслу.

4) частицы металлов, которые представляют собой продукты износа деталей двигателя

Основную долю выбросов твердых частиц (до 60 - 65 %) составляют выбросы сажи.

Таб. 1.2. основные нормы и показатели токсичности ОГ дизелей.

Наименование документа, Выбросы токсичных Компонентов ОГ

страна, фирма изготовитель

Дымность or,N % Твердые Оксид углеро- Углеводо- Оксиды

По Хартридж частицы, да, роды азота, г/кВт.ч

г/кВт. ч г/кВт. ч г/кВт. ч

1 Стандарты СССР: 9.5 3.4 8.35

ОСТ 37.001.23-81.

ГОСТ 17.2.2.01-84. См. Табл. 1.3.35%.

(пример для Gor =

200 дм3/ с)

ГОСТ 21393-75. а) Свободное

ускорение:

б) Наддува 40%, с

наддувом 50% в)

Птах: 15%

ГОСТ 17.2.2.05-86.

Категории: Г2 10 3.5 22

II3 12 4 25

III*4 - 4*1 2 17

2 Государственная научно- 0.1 4.9 1.2 5.0

техническая программа "

Высокоскоростной

экологически чистый

транспорт 2000 г."

3 Правила R14 ЕЭК ООН См. Табл. 1.3.

36.7%,(пример для

Gor =200дм3/с

4 Правила R 49 ЕЭК ООН Согласно

1982 правилам R 24 14.0 3.5 18.0

1988 ЕЭК ООН 11.2 2.4 14.4

1990 0?7 11.2 2.4 14.4

с 10.93 0.36>85 4.5 1.1 8.0

кВт

0.63<85

кВт

с 10.96 0.15>85 4.0 1.1 7.0

кВт

0.36<85

кВт

с 1998 0.10 2.0 0.6 5.0

5 Стандарты США А:Ускорение :20%

До 1987 Б:Сброс нагрузки 0?8 20.8 1.76 14.4

1988/89 с режима полной 0.34 20.8 1.76 14.4

1990 нагрузки :15% 0.34 (0.14 20.8 1.76 8.15

1991/93 В: Максимально автобусы) 20.8 1.76 6.8

допустимая

с 1994 - 97 дымность :50% 0.14 20.8 1.76 5.4

6 Страны "Стокгольмской

группы "(Швеция,

Швейцария, Австрия)

Авсртия 1990 11.2 2.4 14.4

1991 Согласно 0?7 4.9 1.23 9.0

1993 правилам R 24 0.4 4.9 1.23 9.0

Швейцария 1990 ЕЭК ООН 8.4 2.1 14.4

1993 0?7 4.9 1.23 9.0

Швеция 93 0.4 4.9 1.2 0.4

96 0.15 2.0 0.6 7.0

1 Фактические выбросы 30-35% 0.7-0.8 6-8.5 2-2.8 14-16

двигателя КамАЗ-7409.10

Фактические выбросы

двигателя КамАЗ- 7409.10:

В дизельном режиме 32% 0,7 5,7-7,6 0,55-0,68 13.6

В газодизельном режиме 23№ 17-21 7,6-8,5 10,1-13,2

Примечание: м - с нейтрализатором, *2 -дизель для сельскохозяйственных и промышленных тракторов, *3 - комбайновые дизелем, *4 - дизели тракторов, предназначенных для работы в местах с ограниченным воздухообменом.

Таблица 3.1 Нормы дымности по правилам ЕЭК ООН 1124,

ГОСТ 17.2.2.01-84 и ГОС^ Г 17.2.02-86.

'словны I расход Нормы дымности ОГ по правилам ЕЭК ООН И24 Нормы дымности Ог по гост 17.2.2.0184 Нормы дымности ОГ по ГОСТ 17.2.2.02-86 Услов ный расход ог, дм3/с Нормы дымности ОГ по правилам ЕЭК ООН И24 Нормы дымное ти ОГ по ГОСТ 17.2.2.0 1-84 Нормы дымностиОГ по ГОСТ 17.2.20286

К,м 1 Ы,% К,м 1 К,м 1 И,% К,м 1

40 2,26 62 60(до 42) 1,2 40 125 1,345 44 41

45 2,19 61 1,2 40 130 1,32 43,3 1Д5 39

50 2,08 59 56 1,2 40 135 1,3 42,8

55 1,985 57 1,2 40 140 1,27 42 1,11 38

60 1,9 56 1,2 40 145 1,25 41,5

65 1,84 55 1,2 40 150 1,225 40,9 39 1,07 37

70 1,77 53 1,2 40 155 1,205 40,4

75 1,72 52 50 1,2 40 160 1Д9 40 1,04 36

80 1,665 51 1,2 40 165 1Д7 39,5

85 1,62 50 1,2 40 170 1,155 39 1,01 35

90 1,575 49 1,2 40 175 1,149 38,7 37

95 1,535 48 1,2 40 180 1,125 38,3 0,99 35

100 1,495 47 45 1,2 40 185 1,11 37,9

105 1,565 46,7 1,2 40 190 1,045 37,5 0,96 34

110 1,425 45,8 1,2 40 195 1,08 37,1

115 1,395 45,1 1,2 40 200 1,065 36,7 35 0,93 33

120 1,37 44,5 1,2 40 >200 34 0,93 33

Условный расход ОГ вычисляется для каждой из шести частот вращения по формулам:

0= У*п/60 для двухтактных дизелей 0= У*п/120 для четырехтактных дизелей,

Где V - рабочий объем двигателя в дм3, п - частота вращения в мин1 .

У дизелей с наддувом дымность нормируется при свободном ускорении, при этом измеренная при свободном ускорении дымность не должна превышать более чем на 0,5 м"1 , предельно допустимых величин для данного дизеля на установившихся режимах.

В прошлом был сделан ряд попыток к классификации аэрозолей на основе их природы, происхождения и величины частиц. Общий термин аэрозоль был предложен Донаном в 1918 году для обозначения тонких аэродисперных систем. Независимо от Донана этим термином стал пользоваться Шмаусс, которому принадлежит первая статья, в которой было упомянуто слово аэрозоль. Эти авторы считали аэрозоли аналогами систем с жидкой средой - гидрозолями, однако в дальнейшем стало ясно, что эти два класса дисперных систем различны в силу присущей аэрозолям неустойчивости. В настоящее время термин аэрозоль применяется к системам с достаточно мелкими частицами, обладающими некоторой степенью неустойчивости. К этой категории принадлежат пыли с мелкими частицами, дымы и туманы.

Пыль состоит из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде в результате ме