Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Общее состояние проблемы повышения эффективности каталитической нейтрализации отработавших газов дизелей
1.1. Уровень загрязнения окружающей среды дизелями 11
1.2. Вредные выбросы дизелей с отработавшими газами и их нормирование 17
1.3. Пути перехода дизелей к нормам ЕВРО - 5 19
1.4. Осуществление селективной очистки отработавших газов дизелей в каталитических нейтрализаторах 27
1.5. Возможные пути повышения качества очистки отработавших газов дизелей в каталитических нейтрализаторах 33
1.6. Подача воздуха на впуске в каталитический нейтрализатор отработавших газов дизеля и в реактор 39
1.7. Подача раствора карбамида перед блоками восстановления каталитического нейтрализатора 41
1.8. Подача различных растворов в реакторы каталитических нейтрализаторов 45
1.9. Осуществление подогрева каталитических блоков до рабочих температур 47
І.Ю.Турбулизация потока отработавших газов на впуске в каталитический нейтрализатор 51
1.11 .Комплексные мероприятия, направленные на повышение качества очистки отработавших газов в нейтрализаторах 54
1.12. Выводы по главе
1. Цели и задачи исследования 58
Глава 2 Математическое моделирование процессов селективной очистки отработавших газов дизелей в каталитических нейтрализаторах
2.1. Моделирование способов воздействия на качество очистки отработавших газов 60
2.2. Усовершенствование модели каталитической очистки отработавших газов дизеля 61
2.3. Описание программы по расчету каталитического нейтрализатора и результаты моделирования 79
2.4. Сравнение результатов эксперимента и математического моделирования 82
2.5 Выводы по главе 2 85
Глава 3 Экспериментальная установка с дизелем 64 15/18, её оснащение. методика проведения исследования и обработки данных
3.1. Методика проведения экспериментального исследования 87
3.2. Экспериментальная установка для стендовых испытаний каталитических нейтрализаторов 88
3.3. Разработка многоступенчатого каталитического нейтрализатора отработавших газов для дизеля 90
3.4. Пилотная установка для одновременного проведения сравнительных испытаний различных СВС - материалов 95
3.5. Методика обработки данных об удельных оценочных выбросах дизелей по режимному испытательному циклу 99
3.6. Оценка погрешностей измерений и расчетов 101
3.7. Обработка экспериментальных данных 103
3.8. Выводы по главе 3 105
Глава 4 Результаты экспериментального исследования возможностей повышения эффективности каталитической очистки отработавших газов дизеля в СВС- блоках
4.1. Программа проведения исследования по повышению эффективности очистки газов в каталитическом нейтрализаторе... 106
4.2. Результаты экспериментального исследования влияния уровней вредных выбросов с отработавшими газами дизеля 64 15/18 107
4.3. Результаты экспериментального исследования влияния каталитической очистки отработавших газов дизеля
64 15/18 на уровни вредных выбросов 113
4.4. Результаты экспериментального исследования влияния подачи воздуха в реактор каталитического нейтрализатора перед фильтром твердых частиц, на качество очистки отработавших газов 119
4.5. Результаты экспериментального исследования влияния подачи воздуха в реактор каталитического нейтрализатора перед блоком окисления, на качество очистки отработавших
газов дизеля 124
4.6. Результаты экспериментального исследования влияния турбулизации потока отработавших газов на впуске в реактор каталитического нейтрализатора на качество очистки отработавших газов дизеля 129
4.7. Результаты экспериментального исследования влияния подачи раствора карбамида в реактор каталитического нейтрализатора пред блоком восстановления на качество очистки отработавших газов дизеля 134
4.8. Результаты экспериментального исследования влияния подачи аммиачной воды в реактор каталитического нейтрализатора перед блоком восстановления на качество очистки отработавших газов дизеля 140
4.9. Результаты экспериментального исследования влияния подачи раствора соли церия после завихрителя на впуске, на качество очистки отработавших газов дизеля в каталитическом нейтрализаторе 144
4.10. Результаты экспериментального исследования влияния подачи раствора А в реактор каталитического нейтрализатора после завихрителя на впуске, на качество очистки отработавших газов дизеля 149
4.11. Результаты экспериментального исследования влияния подачи раствора Б в реактор каталитического нейтрализатора после завихрителя на впуске, на качество очистки отработавших
газов дизеля 153
4.12. Выводы по главе 4 162
Общие выводы по работе 163
Список литературы
- Возможные пути повышения качества очистки отработавших газов дизелей в каталитических нейтрализаторах
- Усовершенствование модели каталитической очистки отработавших газов дизеля
- Пилотная установка для одновременного проведения сравнительных испытаний различных СВС - материалов
- Результаты экспериментального исследования влияния подачи аммиачной воды в реактор каталитического нейтрализатора перед блоком восстановления на качество очистки отработавших газов дизеля
Введение к работе
Актуальность работы. Начало третьего тысячелетия знаменуется не только бурным развитием транспорта и малой энергетики, но и продолжающимся ростом техногенного воздействия поршневых двигателей на окружающую среду.
Решение проблемы дальнейшего снижения вредных выбросов с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания связывают как с совершенствованием рабочих процессов, переводом на альтернативные виды топлив, так и с совершенствованием каталитической очистки.
Предлагаемые для выполнения норм ЕВРО-5 системы селективной очистки отработавших газов (ОГ) успешно апробированы на катализаторах, содержащих благородные металлы. Отсутствие сведений об использовании ин-терметаллидов, полученных с применением технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в селективной очистке ОГ дизеля не позволяет целенаправленно вести работу по снижению стоимости очистки и тормозит решение экологической проблемы. Актуальность настоящей работы состоит в снижении экологической нагрузки от вредных веществ ОГ двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на окружающую среду, путем организации селективной каталитической очистки отработавших газов в пористых проницаемых катализаторах, полученных по СВС - технологиям.
Целью исследования явилась разработка эффективной системы селективной очистки отработавших газов дизелей на базе пористых проницаемых каталитических блоков, полученных с использованием СВС - технологий.
Для достижения поставленной цели определены следующие основные задачи исследования:
Разработать математическую модель селективной очистки ОГ дизеля в каталитическом нейтрализаторе, позволяющую осуществить подбор растворов жидкостей, впрыскиваемых в различные зоны реактора нейтрализатора;
Разработать экспериментальный комплекс для оценки эффективности селективной очистки газов в нейтрализаторах с пористыми проницаемыми СВС - каталитическими блоками;
Выявить эффективность подачи дополнительного воздуха в отдельные блоки очистки газов от продуктов неполного сгорания;
Определить влияние подачи отдельных растворов в реактор каталитического нейтрализатора на качество очистки отработавших газов;
Выявить влияние температуры катализаторов из СВС - материалов на качество очистки отработавших газов дизеля;
Разработать конструкцию каталитического нейтрализатора для селективной очистки отработавших газов дизеля и провести её апробацию.
Настоящая работа выполнена по специальности 05.04.02 - "Тепловые двигатели", как часть целевой комплексной программы СО РАН "Экология", блок "Атмосфера" в соответствии с Перспективным планом развития научно-исследовательских работ Алтайского государственного технического универ-
ситета (АлтГТУ) им. И.И. Ползунова.
Объект исследования: процессы селективной очистки отработавших газов дизелей в каталитических нейтрализаторах.
Предмет исследования: эффективность селективной очистки ОГ дизелей в каталитическом нейтрализаторе с пористыми проницаемыми СВС-блоками.
Научная новизна заключается:
в разработке математической модели селективной очистки ОГ дизеля в каталитическом нейтрализаторе, позволяющей решать задачи подбора растворов жидкостей, впрыскиваемых в различные зоны реактора нейтрализатора;
в разработке экспериментального комплекса и устройства каталитического нейтрализатора, позволяющих осуществлять селективную очистку ОГ дизелей;
в получении данных о влиянии подачи окислителя в различные зоны реактора на качество очистки отработавших газов;
в получении информации об эффективности применения разработанных автором растворов на качество очистки газов;
в выявлении влияния температуры СВС - катализаторов на качество очистки газов;
в разработке конструкции нейтрализатора, позволяющей осуществлять селективную очистку отработавших газов.
Практическая ценность. Исследования выполнены в рамках научно -технических программ: "Экология" СО РАН, "Исследования и разработки по приоритетным направлениям" Министерства промышленности и торговли РФ, заказов Министерства образования и науки РФ. Практическая ценность заключается в:
разработке расчетных методов, позволяющих оценить эффективность каталитической очистки ОГ в нейтрализаторах с селективной очисткой различных конструкций;
разработке экспериментальной установки, для выполнения сравнительных испытаний различных катализаторов и каталитических систем очистки ОГ;
разработке конструкции каталитического нейтрализатора, для эффективной селективной очистки ОГ.
Реализация результатов исследований:
Материалы диссертации используются при разработке систем каталитической нейтрализации в НПО "Алтайский машиностроительный завод" (г. Барнаул) и в учебном процессе в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова (г. Барнаул) в курсах лекций "Рабочие процессы, конструкция и основы расчета энергетических установок", "Типаж подвижного состава и устройство автомобиля" и "Обеспечение экологичности предприятий автосервиса".
Апробация работы. Материалы исследований по теме диссертации доложены на научно - технических конференциях в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова в 2005 - 2009 годах, конферен-
циях Союза научных и инженерных организаций России, на семинарах в Алтайском и Новосибирском государственных технических университетах, Всероссийских и городских конференциях молодых ученых в г. Барнауле.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в двадцати печатных работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура работы. Диссертация содержит 188 страниц, в том числе 34 таблицы, 31 рисунок и состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, содержащего 156 источников отечественной и 83 источника зарубежной литературы, и двух приложений на 16 страницах.
В соответствии с содержанием работы на защиту выносятся следующие положения:
Математическая модель селективной очистки отработавших газов дизеля в каталитическом нейтрализаторе, позволяющая осуществить подбор растворов жидкостей, впрыскиваемых в различные зоны реактора нейтрализатора;
Экспериментальный комплекс для оценки эффективности селективной очистки газов в нейтрализаторах с пористыми проницаемыми СВС - каталитическими блоками;
Результаты эффективности подачи дополнительного воздуха в отдельные блоки очистки газов от продуктов неполного сгорания;
Результаты влияния подачи отдельных растворов в реактор каталитического нейтрализатора на качество очистки отработавших газов;
Результаты влияния температуры катализаторов из СВС - материалов на качество очистки отработавших газов дизеля;
Конструкция каталитического нейтрализатора для селективной очистки отработавших газов дизеля.
Возможные пути повышения качества очистки отработавших газов дизелей в каталитических нейтрализаторах
На Международной автомобильной выставке во Франкфурте (ФРГ) проводившейся в 2007 году, фирма „Boysen" представила новую систему SCR. В разработанной системе между впрыскивающим устройством мочевины и катализатором установлен испаритель, способствующий быстрому и равномерному отделению от водного раствора мочевины аммиака, который вступает в инициируемые катализатором реакции с оксидами азота с образованием свободного азота и воды.
Предложенная система очистки основана на впрыскивании в SCR - катализатор водного раствора мочевины. Представлена схема системы, которая содержит емкости с раствором мочевины и сжатым воздухом, каталитический нейтрализатор, устройство для дозирования подачи мочевины и распыливаю-щего воздуха и устройство для управления дозированием в соответствии с сигналами датчиков режимных параметров дизеля.
В стратегию развития работ по реализации норм ЕВРО - 5 фирмой "Scania" (Швеция) определены два основных направления: варианты применения систем SCR и варианты рециркуляции отработавших газов [221]. Однако обнаружено, что рециркуляция отработавших газов, приводящая к снижению температуры цикла и снижению концентрации окислителя приводит не только к снижению скоростей образования оксидов азота, но и приводит к увеличению расхода топлива [165]. Если нормы ЕВРО - 4 были достигнуты рециркуляцией газов, то уже в модели 420 SCR - дополнительной очисткой в селективном ка 28 талитическом нейтрализаторе [238].
За последние годы допустимые нормы выбросов твердых частиц и оксидов азота для дизелей значительно снизились во всем мире. Для того, чтобы в следующем десятилетии не выйти за устанавливаемые нормы ЕРА (Environmental Protection Agency) в США и ЕВРО - норм в Европе, двигателестроитель-ные фирмы разрабатывают новые и совершенствуют существующие способы снижения токсичности отработавших газов дизелей. К числу новых относится комбинированная система очистки отработавших газов, содержащая сажевый фильтр и нейтрализатор SCR. Для таких систем разработаны новые сажевые фильтры DuraTrap-CO и DuraTrap-AC, отличающиеся улучшенной микроструктурой, способствующей снижению потерь давления, высокой механической и термомеханической стабильностью при высокой степени очистки. Комбинированные системы позволяют снизить противоречивость требований к размерам, эффективности и сроку службы систем очистки, что может быть достигнуто согласованной работой производителей двигателей и поставщиков соответствующего оборудования [183].
Фирма "Mercedes - Benz" (Германия) поставляет на рынок автомобили с дизелями Е 230 Blue Тес и Vision GL 320 Blue Тес удовлетворяющие нормам ЕЭК ООН, работающие на топливе с добавкой присадки AdBlue (0,1 л/100 км), обеспечивающей процессы восстановления оксидов азота в каталитических нейтрализаторах отработавших газов [133].
Фирмой MAN с января 2006 года поставляются дизели с экономичной системой SCR - последующей очистки отработавших газов в каталитическом нейтрализаторе с применением присадки AdBlue (водного раствора аммиака), сертифицированные по норме ЕВРО - 5, а с 2008 года - дизели с системой AGR (повторный дожиг) и фильтром РМ - КАТ для улавливания и дожигания твердых частиц [188]. На автомобиле для раствора Ad Blue требуется дополнительная емкость 50 - 70 л.
Системы SCR широко применяются для очистки отработавших газов дизелей стационарных силовых установок большой мощности. В ближайшем бу 29 дущем ожидается их применение на тяжелых дизелях транспортных средств в Европе. Строгие требования к характеристикам и динамике работы таких систем требуют новых подходов к разработке систем управления. В частности, система управления должна содержать регулятор, настроенный в соответствии с известными динамическими характеристиками установки, а также регулятор обратной связи для компенсации различных рассогласований и слишком медленно изменяющихся параметров. Известна последовательность преобразования оксидов азота в азот и воду в присутствии водного раствора мочевины, имеющего обозначение AdBlue. Последовательность включает в себя 12 химических реакций и несколько математических уравнений. Проведенные в пробеге автомобилей исследования показали, что регулируемым дозированием впрыскиваемого в отработавшие газы водного раствора мочевины можно снизить выбросы NOx на 85% при сохранении неизменного расхода топлива, снижении выбросов СО и твердых частиц и при соответствии будущим ограничительным нормам на токсичность ОГ [222].
Для России, 70% территории которой имеет продолжительность отрицательных температур окружающей среды до 7...8 месяцев в году, важным обстоятельством является всесезонной эксплуатации. В системе SCR для очистки ОГ от оксидов азота применяется впрыскивание водного раствора мочевины в поток ОГ перед каталитическим нейтрализатором. К недостаткам этой системы относится замерзание водного раствора мочевины при длительной стоянке при температуре ниже - 11 С. Для растапливания льда и ускорения подготовки системы, SCR к работе фирма "Eichenauer" разработала электроподогреватель РТС (Positive Temperature Coefficient). Подогреватель автоматически регулирует и поддерживает температуру на заданном уровне, полностью исключая опасность перегрева водного раствора мочевины. Это свойство обеспечивается возрастанием сопротивления электрической обмотки подогревателя при увеличении температуры подогреваемой среды [205].
Протекание реакций окисления и восстановления в реакторе каталитического нейтрализатора во многом определяется наличием свободного кислорода.
Главной целью использования кислорода, накапливающегося в каталитическом нейтрализаторе тройного действия, ставится улучшение очистки ОГ и снижение токсичности выбросов. Реализация этих задач затруднена сложностью системы управления. Принципиальная схема упрощенной системы определения коэффициента избытка воздуха в каталитическом нейтрализаторе и принцип работы системы заключается в постоянном контроле количества подаваемого топлива и периодическом включении датчика кислорода, установленного на выходе каталитического нейтрализатора. Отдельные сигналы датчика преобразуются в аналоговую форму, по которой определяется среднее значение сигнала и соответствующее значение коэффициента избытка воздуха. Система испытана при работе на различных переходных режимах и показала преимущества перед другими системами по степени снижения выбросов NOx [229].
К системам SCR нельзя относится как к примитивным. Они имеют свои особенности и разновидности. Рассмотренные возможности двух вариантов SCR процесса - "углеводородного" и "аммиачного" показало, что селективное восстановление оксидов азота возможно как с использованием углеводородных восстановителей, так и соединений, содержащих аминогруппы, в частности, мочевины. Более предпочтительной является аммиачная схема, где источником аммиака служит мочевина. Для реализации этой схемы успешно используют катализаторы на основе оксидов ванадия и титана, выбраны оптимальные условия их работы и разработанные элементы системы подачи мочевины уже известны. Использование аммиачной схемы при испытании дизеля по Правилам ЕЭК ООН № 49 позволяет снизить выбросы оксидов азота на 50 - 60% от исходного уровня [115].
Усовершенствование модели каталитической очистки отработавших газов дизеля
Каталитическая нейтрализация отработавших газов двигателей внутреннего сгорания имеет сравнительно короткую историю и многие положения и материалы были заимствованы из химической промышленности. Развитие снижения вредных выбросов методами каталитической нейтрализации шло во многом одновременно с развитием науки о катализе [71].
Учитывая многообразие факторов, влияющих на качество очистки отработавших газов в нейтрализаторах, определенные требования и ограничения, существующие для транспортных средств, возникла необходимость развития базы численных исследований. В [47] описаны расчетные модели, существовавшие к 1966 году. В основном все модели позволяют проводить приближенно газодинамические и термодинамические характеристики нейтрализаторов. Позже О.И. Жегалиным, В.А. Кузнецовым, Н.А. Китросским, П.Д. Лупачевым [46, 48] была сделана попытка описания модели каталитической очистки газов. Далее С.В.Белов и Л.Л. Морозов продолжили эту работу [12].
Физико - химические процессы в каталитических нейтрализаторах с учетом многофакторного анализа провели В.Я. Груданов [30], А.В. Николаенко, В.Н. Ложкин, Т.Ю. Салова, И.Н. Филин.
Математическая модель процессов очистки отработавших газов в нейтрализаторе описана А очистки газов оказывается, как правило, ниже заявляемой.А. Мельберт [89]. В Алтайском государственном техническом университете к настоящему времени накоплен определенный опыт проек 61 тирования и расчета каталитических нейтрализаторов отработавших газов для дизелей различного назначения, а также подбора катализаторов. Однако, как показывают результаты испытаний двигателей с нейтрализаторами на стендах и в условиях эксплуатации, эффективность авторами.
Автором усовершенствована математическая модель, апробированная А.А. Мельберт [89], путем ввода отдельных кинетических уравнений реакций, описывающих процессы, происходящие в каталитическом нейтрализаторе, согласно принятым мероприятиям (глава 4.1).
Особенность моделирования процессов способствующих повышению качества очистки газов в пористых проницаемых СВС - блоках заключается в том, что при определенных температурах в реакторах нейтрализаторов лидирующими оказываются реакции с низшими значениями энергии активации.
Поскольку одним из условий каталитической очистки ОГ является сохранение приемлемого противодавления на выпуске, решение задачи о пребывании Г/7 отработавших газов в контакте с каталитическими элементами решается из условий создания его максимальной удельной поверхности при ограниченных габаритах.
Объемный расход отработавших газов через нейтрализатор связан с параметрами дизеля и зависит от следующих из них: коэффициента избытка воздуха а; теоретически необходимого количества воздуха для сгорания 1 кг топлива IQ, кг-воздуха/кг-топлива; часового расхода топлива GT, кг/ч; давления наддувочного воздуха Рк, МПа (для дизелей без наддува Рк= Р0); температуры воздуха после компрессора Тк, К (для дизелей без наддува Тк = То), газовой постоянной для воздуха RB = R / /ів = 8,314/28,96; действительного коэффициента молекулярного изменения JUB- ДЛЯ четырехтактного дизеля объемный расход отработавших газов (м /ч) может быть оценен по выражению: For= 4,148-1 (Г3 -(GTK/PK)-(а+ 0,0675). (2.1) Далее задаваясь конструктивными размерами каталитических каталитического нейтрализатора, пористых СВС - блоков и их размещением, размером пор, можно оценить противодавлений на выпуске создаваемое нейтрализатором. Тогда объем пористой массы носителя можно определить из уравнения, м3: Упм =Нц-(я-5СТ (dBH + 8СТ)), (2.2) где Нц - высота цилиндрического пористого блока, м; 5Ст - толщиной стенки пористого блока, м; dBH - внутренний диаметр пористого блока, м. Площадь сечения внутренней поверхности фильтра, м2: F0BH=dBH-7r-Hv,M2. (2.3) Учитывая, что удельная масса отработавших газов дизелей при Т0 - 273 К составляет р0г = 1,3 кг/м , для любой другой температуры она определяется по выражению: Ртог = (Рог то )1тог , кг/м3 (2.4) Динамическая вязкость отработавших газов дизеля при Т0 = 273 К составляет ju0= 1,47-10"5 Па-с, для вычисления вязкости при любой другой температуре Тог, удобно использовать формулу Сутерлянда:
Пилотная установка для одновременного проведения сравнительных испытаний различных СВС - материалов
В соответствии с целями и задачами исследования проведение экспериментов потребовало установление общности в подходе с одной стороны и базирования на требованиях стандартов - с другой. В этой связи при разработке методики проведения экспериментальных исследований были взяты комплектации базового каталитического нейтрализатора, обеспечивающие необходимые воздействия на каталитическую очистку отработавших газов дизеля 64 15/18.
Экспериментальные исследования включали в себя снятие скоростных и нагрузочных характеристик и характеристик по определению оценочных выбросов с отработавшими газами оксидов азота, углеводородов, оксида углерода и твердых частиц по 13 - режимному испытательному циклу ЕЭК ООН. Последовательно были проведены стендовые испытания по определению совершенствования очистки газов при использовании:
Экспериментальные исследования проведены при участии автора настоящей работы на экспериментальной установке ОАО ХК "Барнаултрансмаш".
Установка была оборудована измерительной аппаратурой и приборами согласно ГОСТ 21393 - 75, ГОСТ Р 41.49 - 99, ГОСТ Р 41.24 - 99 и дооборудовалась специальной измерительной аппаратурой, в том числе, по ГОСТ Р 41.49 - 99 и ГОСТ Р 41.24 - 99 для измерения дымности и токсичности дизелей. Для проведения стендовых испытаний, по определению совершенствования очистки газов, согласно принятой программе (глава 4.1), установка была доукомплектована каталитическим нейтрализатором, конструкция которого разработана автором и пилотной установкой. Измерение расхода воздуха дизелем осуществлялось ротационным счетчик типа PC-1000, с точностью ± 0,01%, частота вращения коленчатого вала -электронным тахометром, с точностью ± 0,2%, расход топлива - автоматическим весовым устройством ВНЦ-10 с электронным секундомером и счетчиком с точностью ± 0,2%, разрежение во впускном трубопроводе - ртутным вакуу-метром с точностью ±0,5%.
Устройство экспериментальной установки, оборудованной согласно ГОСТ 21393 - 75, ГОСТ Р 41.49 - 99, ГОСТ Р 41.24 - 99 на автомобильные двигатели, представлено на рис. 3.1. Установка включает дизель 64 15/18 26, смонтированный на раме 16 вместе с гидравлическим тормозом 14 и измери 90 тельным устройством 15. Система впуска включает ресивер 7 и газовый счетчик 8. Система индицирования содержит пьезодатчик 1, преобразователь 2, осциллограф 4, записывающий блок 3, обрабатывающий блок 6, преобразователь сигналов 5. Измерение температуры в системе выпуска, содержащей пилотную установку 28 и нейтрализатор 20 велось термопарами 19, 21, 24, 29, а также термопарами 30 и 31, установленными за коллекторами 25 и 27. Информация о температурах поступала в измерительный комплекс 9, о токсичности - комплекс 10, дымность измерялась дымомером 11, включенным через краны 12 и 17 через газоотоборники 18, 22, и 23, итоговые результаты всех измерений выводились на печатающее устройство 13. Устройство экспериментальной установки позволило производить испытания дизелей по многорежимным циклам, в частности, по автомобильным циклам для Европы, Японии и США.
При создании конструкции многоступенчатого каталитического нейтрализатора отработавших газов для дизеля, за прототип была принята конструкция ранее созданного в АлтГТУ кассетного каталитического нейтрализатора (патент РФ № 2166104, МПС С2 F 01 N3/28). Известен многоступенчатый каталитический нейтрализатор дизеля (см. патент РФ № 2166104, МПС С2 F 01 N3/28), содержащий корпус с входным и выходным патрубками с фланцами, пористые металлокерамические каталитические окислительно - восстановительные блоки и коаксиально установленные им пористые металлокерамические окислительный блок и восстановительный блок, патрубком для подвода вспомогательного газа, соединительный с сообщающимися полостями, образованными между внутренней поверхностью корпуса и наружными поверхностями пористых металлокерамических каталитических окислительно - восстановительных блоков, снабженный фильтрами из многослойной перекрестной намотки на сетчатых каркасах нитей композитного углеродистого материала, оссиметрично размещенными внутри пористых металлокерамических окислительного и восстановительных блоков.
Основными недостатками известного нейтрализатора отработанных газов дизеля является увеличение массы автомобиля, так как подача вспомогательного газа должна осуществляться или от источника сжатого газа или компрессором, что требует затрат с одной стороны энергии, с другой ухудшает топливную экономичность двигателя, площадь цилиндрических блоков недостаточна для осуществления каталитической очистки, вспомогательный газ не подогревается, то есть будет снижаться эффективность каталитической очистки.
Известен также кассетный нейтрализатор (см. патент РФ № 2267014, МІЖ F 01 N 3/28), содержащий корпус с внешними и внутренними стенками, теплоизоляцией между ними, блоки фильтрации твердых частиц, пористые проницаемые металлокерамические каталитические окислительные, восстановительные и окислительно - восстановительные блоки, поперечные перегородки со сквозными окнами, входные и выходные патрубки, пористый блок фильтрации твердых частиц, пористые проницаемые металлокерамические каталитические окислительный, окислительно - восстановительный и восстановительный блоки установлены последовательно попарно в сквозные и глухие окна поперечных перегородок с образованием кассет, и каждая последующая перегородка развернута относительно продольной оси нейтрализатора по сравнению с предыдущей перегородкой на угол, равный углу между осями сквозного и глухого окон и каждый блок размещен в сквозном и глухом окнах перегородок своей кассеты. Последняя конструкция является прототипом как наиболее близкая по технической сущности.
Основным недостатком такого нейтрализатора является отсутствие за-вихрителя отработавших газов и устройств для подачи газа (воздуха) в полость реактора, что снижает эффективность очистки отработавших газов от продуктов неполного сгорания.
Результаты экспериментального исследования влияния подачи аммиачной воды в реактор каталитического нейтрализатора перед блоком восстановления на качество очистки отработавших газов дизеля
Особенно беспокоят перспективы выполнения норм ЕВРО - 4 и ЕВРО - 5 по выбросам твердых частиц. Здесь без дополнительного воздействия на рабочий процесс дизеля обойтись сложно. Уменьшение пор в фильтрах твердых частиц приведет к значительному увеличению противодавления на выпуске, что недопустимо.
Как видно из данных таблицы 4.13, достижение показателей норм выбросов для данного типа дизелей по ЕВРО - 4 и ЕВРО - 5 в случае применения каталитического нейтрализатора и подачи карбамида перед блоком восстановления не обеспечивается, а снижение выбросов при этом значительно и составляет по сравнению с дизелем без каталитического нейтрализатора: по оксидам азота - 72%; по оксиду углерода - 64%; по углеводородам - 48% и по твердым частицам - 59%).
Резервы дальнейшего улучшения качества очистки можно искать в дополнительных мероприятиях, содержащих условия доокисления продуктов неполного сгорания и восстановления оксидов азота до азота и кислорода.
В результате испытаний дизеля по внешней скоростной характеристике в диапазоне 1100... 1900 мин"1 обнаружены закономерности изменения выбросов оксидов азота, углеводородов, оксида углерода и твердых частиц (см. рис. 4.11). Здесь же показаны результаты очистки отработавших газов в каталитических блоках катализатора, в том числе, с подачей раствора карбамида в реактор нейтрализатора. На первый взгляд незначительные успехи описанного мероприятия дают предпосылки развития комплексов, включающих подогрев каталитических блоков и отработавших газов.
В результате испытаний дизеля по нагрузочной характеристике при 1900 мин"1 обнаружены закономерности изменения выбросов NOx, СО, CXHY, и ТЧ (см. рис. 4.12). Здесь же показаны результаты очистки отработавших газов в каталитических блоках нейтрализатора, в том числе, с подачей раствора карбамида в реактор нейтрализатора. Результаты подтвердили достигнутые успехи в снижении уровня вредных выбросов и, в основном, оксидов азота.
В случае применения подачи 15 - процентного раствора карбамида в реактор нейтрализатора происходит перераспределение долей вредных веществ в общей токсичности газов. Так на долю: NOx приходится 78,12% (ранее -0,56%); СО- 19,38% (ранее - 17,88%); CXHY- 0,265% (ранее - 0,20%); ТЧ- 2,25% (ранее- 1,4%).
Снижение значения удельного нормообъема на 15% свидетельствует о том, что подача раствора карбамида в реактор благотворно влияет на качество очистки газов.
Оценка дизеля с каталитическим нейтрализатором и подачей раствора карбамида в реактор нейтрализатора перед блоком восстановления по показанию удельного эксплуатационного нормообъема приведена в таблице 4.14.
Из этого следуют выводы о том, что подача 15 -% процентного раствора карбамида в реактор каталитического нейтрализатора с СВС - блоками снижает температуру отработавших газов, что не позволяет в полной мере использовать эффект при восстановлении оксидов азота, но всё-же при этом позволяет снизить уровни вредных выбросов в 1,6 раза.
Результаты экспериментального исследования влияния подачи аммиачной воды в реактор каталитического нейтрализатора перед блоком восстановления на качество очистки отработавших газов дизеля
Работ, описывающих влияние подачи аммиачной воды в реактор на качество очистки отработавших газов дизелей в каталитических нейтрализаторах с пористыми СВС - блоками практически не встречаются и не дан ответ на вопрос о создании недостатка кислорода перед блоком восстановления оксидов азота, хотя сам факт воздействия аммиака на качество очистки отработавших газов дизелей в каталитических нейтрализаторах отмечался в целом ряде работ, в том числе, в работах В.И. Смайлиса и сотрудников ЦНИДИ. Высокие температуры в реакторе, значительно превышающие температуры испарения аммиачной воды, подаваемой в среду отработавших газов, содержащего углерод, оксид углерода и углеводороды, должны создавать среду активного обеднения смеси. Автором настоящей работы изучено влияние подачи аммиачной воды в реактор каталитического нейтрализатора с пористыми проницаемыми блоками, содержащими медноникелевые, меднохромокислые соединения, иридий и родий на качество очистки отработавших газов в каталитических СВС - блоках.
Описание условий испытаний приведено в пункте 4.2. Раствор аммиачной воды подавался в реактор перед восстановительным блоком от отдельного расходного бачка. Расход жидкости не регулировался, а определялся традиционным весовым способом во время испытаний.
Собственно от опытов с раствором карбамида, опыты с аммиачной водой (12 - процентного раствора аммиака) по физико - химическому воздействию на процесс восстановления оксидов азота практически не отличается. В реакторе нейтрализатора аммиачная вода мгновенно испаряется и появляется свободный аммиак, и далее идут реакции связывающие свободный кислород. В результате которых восстановление оксидов азота протекает в условиях недостатка окислителя, описанному в разделе 4.7 настоящей работы. раствора аммиака составлял 2 г/м отработавших газов. Однако в результате испытаний по 13 - режимному испытательному циклу обнаружилось, что эффективность очистки отработавших газов при подаче аммиачной воды в реактор нейтрализатора несколько иная, чем при подаче раствора карбамида. Результаты определения влияния подачи аммиачной воды перед блоком восстановления оксидов азота представлены в таблице 4.15. Оценочные показатели удельных выбросов вредных веществ, приведенные в таблице 4.15, говорят о том, что при испытаниях по 13 - режимному испытательному циклу, подача в реактор нейтрализатора аммиачной воды эффективна.
