Изобретение относится к охране окружающей среды, а точнее к охране воздушного бассейна от твердых частиц (ТЧ), образующихся при сгорании углеводородного топлива в дизельных двигателях различных типов и назначения.
Известен способ очистки отработавших газов (ОГ) от ТЧ, в соответствии с которым поток ОГ пропускают через фильтрующий элемент (ФЭ) [1] При таком способе очистки ФЭ быстро забивается ТЧ, что сопровождается значительным ростом его гидравлического сопротивления и противодавления на выходе из двигателя, а также соответствующим падением его мощности. Это обстоятельство требует снятия ФЭ и его регенерация. Замена ФЭ вызывает большие неудобства при эксплуатации.
Недостатки рассмотренного способа устраняются в другом способе очистки, при котором регенерация ФЭ осуществляется без снятия ФЭ путем нагрева ОГ до температуры выше (550-600)oC за счет подачи в поток ОГ и сжигания в кислороде ОГ дополнительного топлива [2]
Экономичность процесса регенерации не является оптимальной, т.к. не учитывается режим работы энергоустановки и не контролируется температура ФЭ, что может привести к перегреву и снижению его ресурса работы.
Экономичность процесса регенерации оптимизируется с учетом режима работы дизельного двигателя в способе очистки, который принять в качестве прототипа.Согласно этому способу очистки степень заполнения ФЭ ТЧ определяется по измеренным давлениям в потоке ОГ до ФЭ (P
Из описания этого способа видно, что контроль процесса регенерации ФЭ осуществляется по приросту температуры ФЭ за счет сгорания сажи. По мере выгорания сажи этот прирост температуры снижается и при полном ее сгорании равен нулю. Поскольку режим работы двигателя при движении автомобиля удержать постоянным невозможно, то не ясно чем определяется Тф при регенерации:
в основном режимом работы двигателя и, кроме того, соответствующим ему сгоранием дополнительного топлива в дожигателе и сажи в ФЭ;
то ли частично режимом работы двигателя и преимущественно сгоранием дополнительного топлива в дожигателе и сажи;
то ли частично режимом работы двигателя и в основном только сгоранием дополнительного топлива без учета добавки в температуре ФЭ за счет сгорания сажи.
Т. е. момент завершения процесса регенерации ФЭ в этом способе точно определить затруднительно, что может привести к неполной регенерации ФЭ или к чрезмерно длительному неэкономичному процессу регенерации, сопровождающемуся снижением ресурса работы ФЭ.
Кроме того, определение зоны сгорания дополнительного топлива в данном способе производится косвенно, т.е. по заданному значению Md. Нельзя отрицать, что измеренная объемная концентрация кислорода в ОГ [(О2)] является однозначной функцией Md и практически не зависит от . В то же время можно утверждать, что эта функция справедлива только для конкретного типа дизельных двигателей, т. к. полнота сгорания у каждого типа дизельного двигателя различная. В действительности же для надежного сгорания топлива необходимо иметь достаточную [(O2)] которая является универсальной для всех типов дизельных двигателей. Если эта [(O2)] не достаточна, то подача дополнительного топлива может происходить без его сгорания, что резко снижает экономичность процесса регенерации ФЭ.
Задача изобретения повышение экономичности процессарегенерации ФЭ, его ресурса работы, уменьшения потерь полного давления в потоке ОГ и расширения диапазона режимов работы двигателя по нагрузке, при котором возможна регенерация ФЭ.
Поставленные задачи решаются следующими техническими решениями.
1. Другими условиями начала процесса регенерации ФЭ путем его нагрева ОГ.
Для этого измеряют [O2] до дожигателя и поток ОГ нагревают тогда:
a) когда одновременно и ΔP* превышает ΔP
б) или когда одновременно и ΔP* превышает ΔP
2. Другими условиями окончания процесса регенерации. То есть поток ОГ нагревают до тех пор, пока ΔP* не станет меньше его заданного минимально допустимого значения ((ΔP
3. Если измеренная [O2] до дожигателя меньше [O2]min, то производят ввод вторичного газа, содержащего кислород, в поток ОГ.
4. Регенерируют Gт и расход вторичного газа, содержащего кислород, (Gт), поддерживая в зоне горения дополнительного топлива коэффициент избытка окислителя (α) близким к единице с учетом измеренной [O2] до дожигателя. Под коэффициентом избытка окислителя понимается отношение действительного расхода окислителя к его теоретическому расходу, необходимому для сжигания одного килограмма топлива.
5. Дополнительное топливо и вторичный газ, содержащий кислород, предварительно смешивают с целью получения гомогенной топливно-газовой смеси (ТГС) до момента подачи их в поток ОГ.
6. Образовавшуюся ТГС подогревают ОГ до ввода ее в поток ОГ.
Использование указанной совокупности отличительных признаков с требуемой целью автору неизвестно.
При организации процесса регенерации ФЭ путем его нагрева ОГ за счет ввода в поток ОГ дополнительного топлива и его сжигания в кислороде ОГ важно создать такие условия, при которых возможно надежное воспламенение и устойчивое горение дополнительного топлива.
Когда ΔP* превышает ΔP
На наш взгляд степень регенерации ФЭ более надежно оценивать по ΔP*. При этом ΔP
Ввод дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород, сопровождается потерями полного давления в потоке ОГ, ростом противодавления на выходе из двигателя и в результате падением его мощности. Химические реакции (горение) между топливом и окислителем не начнутся до тех пор, пока они не окажутся в одной области пространства и пока не произойдет их смешение на молекулярном уровне под действием диффузии. Если поддерживать α в зоне горения дополнительного топлива близким к единице (под словом близким к единице понимается a=1 с учетом точности измерения), с учетом [O2] то заданную температуру ФЭ можно обеспечивать при Gт.min и Gт.min0 т.к. при α=1 реализуется максимальная температура в зоне горения. То есть процесс диффузионного горения дополнительного топлива в потоке ОГ будет происходить при минимальных потерях полного давления, обусловленных смешением потока ОГ, дополнительного топлива и вторичного газа,содержащего кислород (пункт 4).
Если процесс смешения дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород, вынести за пределы потока ОГ, то потери полного давления в потоке ОГ будет еще снижены. Кроме того, предварительное смешение позволяет повысить полноту сгорания топлива, а, следовательно, уменьшить Gт (пункт 5).
Подогрев ТГС, образовавшейся за счет предварительного перемешивания дополнительного топлива и вторичного газа, содержащего кислород, позволяет снизить Gт на величину, соответствующую степени подогрева ТГС (пункт 6).
Схема устройства очистки ОГ от ТЧ (далее устройство), в котором реализуется предложенный способ очистки, показана на фиг. 1.
Устройство (фиг. 1) содержит корпус 1, ФЭ 6, чувствительные элементы 7, 8 и 9 датчиков температуры T
Реализация предложенного способа в устройстве (фиг. 1) осуществляется следующим образом.
ОГ 56 поступает на вход устройства с произвольными T
Регулирующие органы 45 и 46 открыты, а ЭМК 47 и ЭМК 48 нормально закрыты, поэтому вторичный газ, содержащий кислород, и дополнительное топливо не поступают к форсунке 2. ЭСЗ непрерывно генерирует высокочастотные импульсы на свечу 4 даже тогда, когда вторичный газ, содержащий кислород, и дополнительное топливо не поступают в поток ОГ 56.
ОГ 56 вначале пропускают через дожигатель, а затем через ФЭ 6. Очищенные от ТЧ ОГ 57 поступают в атмосферу.
Поток ОГ 56 зондируется с помощью чувствительных элементов 7 и 8, пробоотборника 12 и приемников полного давления 10 и 11. Вначале по значениям сигналов датчика n 27 и задатчика nmax 55 в БВ 19 происходит вычисление значений . Затем по значениям сигналов датчика T
Значение сигнала БВ 18 сравнивается в БС 32 с сигналом БВ 22. Если ΔP* больше ΔP
В процессе регенерации ФЭ 6 поток вторичного газа, содержащего кислород, и поток дополнительного топлива зондируются чувствительными элементами 54 и 53 соответственно. В БВ 20 и БВ 21 формируются сигналы, пропорциональные соответственно Gт и Gг, а в БВ 25 вычисляется значение α по значениям сигналов БВ 20, БВ 21 и датчика [O2] 26. Если a больше (меньше) единицы, то после сравнения в БС 36 значений соответствующих сигналов от БВ 25 и задатчика (α=1) 28 БС 36 выдает сигнал ИО 42 через БУ 40 на покрытие (открытие) регулирующего органа 46.
Сигнал от БВ 18, кроме БС 32, одновременно поступает и в БС 31. Если ΔP* окажется меньше ΔP
Прежде чем проводить эксперименты по оценке преимуществ предлагаемого способа очистки по сравнению со способом очистки в прототипе была получена экспериментальным путем характеристика, определяющая зависимость [O2] от Md при разных и выключенном дожигателе. определялось с помощью датчика n 27 и задатчика nmax 55. [O2] измерялось датчиком 26 с помощью чувствительного элемента 12, а Md с помощью штатной системы измерений, предусмотренной на экспериментальном стенде по испытанию дизеля ЗИЛ-645. Результаты экспериментальных измерений представлены на фиг. 2,а.
Затем, используя только магистраль подачи дополнительного топлива 49 при ручном регулировании Gт с помощью регулирующего органа 45, определялась граница начала устойчивого воспламенения и горения дополнительного топлива. В качестве дополнительного топлива использовалась пропано-бутановая смесь. Было установлено, что существует зона неустойчивого (срывного) горения топлива 58 (на графике, фиг. 2, а, эта зона заштрихована). Выше этой зоны 58 имеет место надежное воспламенение от искры свечи 4 и устойчивое горение дополнительного топлива в кислороде ОГ 56, а ниже этой зоны 58 воспламенения и горения топлива нет.
С помощью графика (фиг. 2 а) было установлено, что [O2]min, при котором наблюдается надежное воспламенение и устойчивое горение топлива, равна примерно 12,5%
После этого были проведены эксперименты с целью получения данных, подтверждающих преимущества заявленного способа по сравнению с прототипом. В качестве вторичного газа, содержащего кислород, использовался воздух. Для функционирования системы регенерации ФЭ 6 в автоматическом режиме было принято, что nmax 2700 об/мин, Тф.max 700oC, [O2]min 12,5% Вычисление [O2] max в БВ 24 производилось по закону , причем постоянные А и В определялись из условия, что при 25% [O2]max 18% а при 100% [O2]max 13,5% (фиг. 2 б).
ΔP
ΔP
Питание автоматизированной системы регенерации осуществлялось от сети напряжением 24 В.
Функционирование системы регенерации ФЭ 6 в автоматическом режиме подтвердило ее высокую надежность на всех разрешенных этой системой режимах работы двигателя.
Предварительное смешение вторичного воздуха и пропано-бутановой смеси в КС 51 до ввода их в поток ОГ 56 при 100% и Md 100% позволило снизить Gт примерно на 3% На режимах холостого хода по и Md эффективность влияния предварительного смешения вторичного воздуха и пропано-бутановой смеси на Gт снижается. Потери полного давления в потоке ОГ на этом же номинальном режиме работы двигателя за счет предварительного смешения вторичного воздуха и пропано-бутановой смеси были снижена на 15%
Предварительный подогрев топливо-воздушной смеси (ТВС) в теплообменнике 52 на номинальном режиме ( 100% и Md 100%) снизил Gт на 12% На режимах холостого хода по Md положительное влияние на Gт предварительного подогрева ТВС менее значительное.
Наиболее сильное влияние на Gт оказывает α. Нарушение условий a=1 в зоне горения пропано-бутановой смеси в пределах воспламеняемости ТВс приводило к увеличению Gт до 30%
Длительная эксплуатация системы регенерации ФЭ, построенной по предлагаемому способу, показала, что регенерация ФЭ 6 происходит заболее короткое время и за 100 циклов регенерации эта система позволила повысить экономичность процесса регенерации по сравнению с системой регенерации прототипа более чем на 25%
Предложенный способ очистки ОГ от ТЧ может быть использован в других энергетических установках, где осуществляется сжигание углеводородного топлива, например, котлах ТЭС, ТЕЦ и т.д. При этом построение систем регенерации ФЭ таких энергоустановок будет намного проще, т.к. их режимы работы отличаются от дизельных двигателей стационарностью расхода топлива.
Использование: в области охраны окружающей среды, а точнее в защите воздушного бассейна от твердых частиц (ТЧ), образующихся при сжигании углеводородного топлива в дизельных двигателях различных типов и назначения. Сущность изобретения: способ очистки отработавших газов (ОГ) дизельных двигателей от ТЧ, заключающийся в том, что поток ОГ пропускают в начале через дожигатель, а затем - через фильтрующий элемент (ФЭ). Измеряют давления в потоке ОГ до ФЭ и после него, температуры потока ОГ до дожигателя ((T
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Сажевые фильтры с системами очистки для дизельных двигаетлей.- Кельн, 1990, с.12 | |||
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
Фильтры для задержания твердых частиц отработавших газов фирмы МА "ЭИ".- М., ВИНИТИ, N 14, 1992, с | |||
Походная разборная печь для варки пищи и печения хлеба | 1920 |
|
SU11A1 |
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
Sauberer Diesel Rusfilter - Regenerationssustem von Zeuna - Starker (Kugland P | |||
und gp.) Verlehr und Technik, 1989, N 12, s | |||
Устройство для усиления токов посредством катодной лампы | 1921 |
|
SU453A1 |
Авторы
Даты
1997-03-27—Публикация
1994-10-11—Подача