Разработка фильтра нейтрализации выхлопных газов автотракторных дизельных двигателей

Состав чертежей

1. Современные нормы токсичности отработавших газов (формат А1)
2. Обзор существующих способов нейтрализации отработавших газов (формат А1)
3. Анализ существующих конструкций (формат А1)
4. Способы установки фильтра – монтажный чертеж (формат А1)
5. Установка фильтра на двигатель Д-240 (формат А1)
6. Общий вид фильтра (формат А1)
7. Сборочный чертеж коллектора (формат А1)
8. Рабочие чертежи деталей (формат А1)
9. Технико-экономические показатели проекта (формат А1)

Описание

Целью дипломной работы является разработка приспособления для нейтрализации выхлопных газов автотракторных дизельных двигателей.
Анализ выбросов вредных веществ в атмосферу освещен во втором разделе проекта. Показано сравнительное количество выбросов различными городами. Дана характеристика содержания вредных веществ в выхлопных газах при работе дизельного двигателя.

Выполнен обзор способов нейтрализации, виды фильтрации их достоинства и недостатки. После анализа всех способов очистки выбран наиболее рациональный и экономически целесообразный способ- очистка через фильтр с дожиганием сажи. На основании выбранного способа очистки спроектирован фильтр для нейтрализации вредных веществ в отработавших газах.

Произведены экономические расчёты и дана экономическая оценка спроектированного фильтра. Экономический эффект составил 6462,8 рублей. При применении предлагаемой системы термического нейтрализатора на выпуске отработавших газов можно отметить (исходя из аналитического метода исследования), что выбросы оксидов азота сократятся до 63%, чего будет достаточно для выполнения требований по Евро-1, Евро-2, Евро-3. Основывая эту систему есть возможность применения отечественного грузового транспорта для перевозок грузов по странам Евросоюза, этим самым, улучшая внешние торговые экономические отношения страны со странами Европы. В основу экологического анализа входит применение двигателей с содержанием токсических веществ в отработавших газах ниже ПДК, то проводя аналитическое исследование можем прогнозировать следующий результат. Выбросы оксидов азота у автомобилей серии КамАЗ составляют 14,7 г/Квт*ч. При применении предлагаемой системы они сократятся на 63% и будут составлять 4,8 г/Квт*ч, что обеспечит прохождение современных норм токсичности согласно европейских требований, даже при введении жёстких требований Евро-3.

В рамках дипломного проекта проведен анализ и разработаны мероприятия по вопросам обеспечения безопасности жизнедеятельности на производстве и в чрезвычайный ситуациях, а также охраны окружающей среды.

Ознакомительный отрывок из  дипломной работы:

Обзор существующих конструкций нейтрализации отработавших газов

Существующие конструкции нейтрализаторов включают: [2]

1. Ионизационные.
2. Каталитические.
3. Термические.
4. Жидкостные.
5. Комбинированные системы.

 3.1 Ионизационные нейтрализаторы

Ионизационный нейтрализатор рис. 3.1, работает следующим образом.[1]

На разрядные электроды 7-9 подают высокое напряжение, в результате чего возникает тлеющий разряд. Выхлопные газы, содержащие вредные примеси поступают во входной патрубок, после чего, проходя через завихритель 3, закручивается и возникающая при этом центробежная сила отбрасывает твердые частицы сажевых образований и т.п. в пристенную часть входного патрубков, которые затем поступают по каналу 13 в бункер 12.

Далее газовый поток поступает в разделяющие патрубки 4-6, причем пристенный поток, содержащий более крупные примеси, попадает в средний патрубок 4, а поток с меньшим содержанием примесей – в боковые патрубки. В патрубке 4 молекулы окислов, ионизируясь и многократно перезарядившись, активно адсорбируются на крупных примесях, а окислы азота, углерода и серы образуют азотную, угольную и серную кислоты. Одновременно в патрубках 5 и 6 потоки с меньшим содержанием примесей обрабатывают соответственно положительным и отрицательным тлеющими разрядами.

Далее потоки из патрубков 4-6 поступают в сборник 10, где из-за увеличения давления газов происходит интенсивное смешивание, что приводит к более быстрому и более полному протеканию химической реакции нейтрализации отработанных газов.

Рисунок 3.1- Ионизационный нейтрализатор

При рекомбинации положительных ионов с электронами образуется активно возбужденные частицы, что способствует коагуляции фазы выхлопа и нейтрализации его среды, при этом фаза выхлопа состоящая из капель воды, топлива, масла и твердых частиц адсорбируют на свою поверхность оставшиеся вредные компоненты среди выхлопа 11 в бункер 12, нейтрализованная среда выхлопа поступает в патрубок 14.

 3.2 Каталитические нейтрализаторы[6]

 Один   из  наиболее   распростра­ненных методов снижения токсичности дизеля – очистка ОГ с помощью каталитических нейтрализаторов  (КН). Дизели работают с коэффици­ентом избытка воздуха, большим единицы, в их ОГ всегда содержится избыток кислорода.

Поэтому независимо от типа дизеля и режима его работы в КН при температуре ОГ более 300 ° С всегда имеются условия для эффективной очистки ОГ от СО и СН_Х.

Независимо от конструкции КН отработавшие газы дизелей про­ходят через слой катализатора (на шариковых, насыпных, стержне­вых или сотовых носителях), на поверхности которого при темпера­туре ОГ более 250…300 °С происходит беспламенное каталитическое окисление отработавших газов. Эффективность очистки ОГ от этих ком­понентов колеблется, как правило, от 70 до 100 %.

Конструкция нейтрализатора — Н-46А2. Этот нейтрализатор пред­назначен для дожигания (беспламенного окисления) в присутствии катализатора отработавших газов. [6]

Нейтрализатор Н-46А2 (рис. 3.2) конструктивно состоит из двух основных частей: корпуса 1 и реактора 2. Корпус представляет собой цилиндр 3, к которому со стороны торцов приварены фланец 4 и дно 5, а к боковой поверхности — фланец 6 с отверстием для выхода ОГ. Фланец 4 имеет отверстие, расположенное эксцентрично оси цилиндра. Соосно с этим отверстием к фланцу 4 приварен реактор, объем ко­торого продольными перегородками 7 разделен на три полости, запол­ненные катализатором 8. Для засыпки полостей катализатором во фланце 4 имеются три отверстия. Крышка 9 является заглушкой за­сыпных отверстий реактора, впускным патрубком и соединитель­ным элементом нейтрализатора с корпусом турбокомпрессора дви­гателя.

Реактор состоит из двух концентрических цилиндрических решеток 10 и 11, перфорированных продольными отверстиями. Со стороны торца, противоположного фланцу 4, к наружной решетке приварено глухое днище 12 с отверстием для посадки на штырь 13 дна. Внутренняя решетка реактора свободно расположена в  цилиндрических гнездах фланца 4 и днища 12. Такая конструкция обеспечивает свободное, не­зависимое одно от другого продольное тепловое перемещение решеток и самого реактора относительно корпуса. Для обеспечения равномер­ной теплонапряженности реактора на нем установлен кожух 14. Корпус нейтрализатора снабжен защитным экраном 15 и теплоизоляцией 16. Для установки нейтрализатора на трактор служит подставка 17, к ко­торой его крепят хомутами 18. Отработавшие газы двигателя поступа­ют в нейтрализатор через впускные отверстия в крышке 9 и проходят через слой катализатора 8, где происходит химический процесс дожи­гания продуктов неполного сгорания топлива, далее ОГ выходят в атмосферу через выпускной патрубок.

Для  замены и перезасыпки катализатора нейтрализатор должен быть снят с трактора.[6]

Рисунок 3.2 – Каталитический нейтрализатор Н-45 А2

В ЦНИИМе разработаны КН для ДВС мощностью от 20 до 500 кВт (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 – Каталитические нейтрализаторы:

А – типа Н-13: 1 – корпус; 2 – реактор; 3 – теплоизоляция; 4 – экран; 5 –катализатор; 6 – пробка; 7 – шайба; 8 – втулка;

Б – типа Н-42:1 – проволока; 2 — заглушка; 3 – штуцер; 4 – втулка; 5  – катализатор; 6 – выходной патру­бок;   7 – искрогаситель; 8 — реактор; 9 — корпус; 10 — входной патрубок;

В –типа Н-32: 1 — впускной патрубок;  2 – выпускной патрубок; 3 — реакторы;

Г — типа 31Б: 1 — заглушка; 2 – прокладка; 3 — фланец; 4 — реакторы; 5 – Т­тализатор;   6 — проволока;   7 – теплоизоляция;   8 — фланец;  9 — прокладка; 10 – заглушка;  11 — полухомуты; 12 – корпус; 13 – опоры; 14 – заглушка; 15 – пробка; 16 – полухомут;

Д — типа НД-38А: 1 – фланец; 2 – прокладка; 3  — фланец; 4 — реакторы; 5 – катализатор;  6 – корпус;  7 – фланец; 8 — патрубок; 9 – заглушка; 10 — пробка

Выпускаемые алюмоплатиновые катализаторы обеспечивают эф­фективную очистку ОГ двигателей в течение 250…500 моточасов, затем активность катализатора снижается и требуется замена катализа­тора или его регенерация.

Наиболее совершенными аппаратами для очистки ОГ принято счи­тать нейтрализаторы с блочным катализатором. Использование блочных катализаторов — более прогрессивное решение и позволяет достигать в КН по сравнению с гранулированным катализатором меньших объе­мов и площадей поперечного сечения. Геометрическая   форма   и   структура   каталитического   носителя также  играют  важную  роль в   выборе  конструкции нейтрализатора.

Существуют два вида катализаторов, полученных нанесением актив­ного компонента на гранулированный (чаще всего сферический) но­ситель блочной или монолитной структуры. Соответственно различают и две конструкции нейтрализаторов. Основным достоинством нейтра­лизаторов с гранулированным катализатором является возможность замены вышедшего из строя катализатора. К числу недостатков нейтра­лизаторов подобного типа относятся высокое аэродинамическое со­противление каталитического слоя, а также недостаточно полное использование    каталитической   поверхности   за   счет   наличия   застой­ных зон.[6]

3.3 Термические нейтрализаторы

 Некоторые типы термических нейтра­лизаторов (дожигателей) позволяют снизить содержание  токсич­ных компонентов ОГ до 90 %.[1] Тракторы, оснащенные термическими нейтрализаторами, обладают хорошими эксплуатационными качествами. Термические нейтрализаторы могут быть долговечными, однако отсутствие места установки и особенности конструкции некоторых двигателей ограничивают их применении.

Разработка термических нейтрализаторов усложнена тем, что, как пра­вило, для каждого трактора необходима разработка спе­циального нейтрализатора. Исследования показали, что более эффективны конструкции нейтрализаторов с увеличенными объемами. Альтернативным требованием является необходимость размещения нейтрализатора в под­капотном пространстве   трактора. Важный воп­рос при разработке — подбор материала, особенно для реакторов. Основное требование здесь — устойчивость материала к окислению и к температурам от 850 до 1000° С, наблюдающимся в реакторе. Наиболее обещающими материалами в этом смысле являют­ся нержавеющие жаростойкие стали. А обеспечить долговечность реак­тора нейтрализатора при максимальных пробегах машины или наработке двигателя трактора могут только нержавеющие стали с содержанием 12…18% хрома и З…6% алюминия.[1]

Установка нейтрализатора в системе выпуска двигателя приводит к увеличению противодавления в 2…2,5 раза, что вызывает до 3…5 % потерь выходной мощности двигателя. Температура ОГ, выходящих из термических нейтрализаторов, несколько выше, чем ОГ, выходящих из обычного выпускного трубопровода.

Пример конструкции термического нейтрализатора показан на рисун­ке 3.5. В этой конструкции смесь ОГ с воздухом подается во внутрен­нюю цилиндрическую камеру реактора. Изменение скорости и направ­ления ОГ обеспечивает перемешивание этой смеси. Асбестовая изоляция и экран выполнены из жаростойкого металла.

Рисунок 3.4 Схема конструкции термического реактора:

1 — выпускные клапаны;  2 – асбестовая тепловая изоляция; 3 – трубопровод подачи воздуха под выпускные клапаны; 4 — внутренняя камера; 5 — экран из жаростойкой стали

 3.4 Жидкостные нейтрализаторы

В отличие от газов растворимость многих жидких и твердых ве­ществ увеличивается с повышением температуры. Например, раство­римость фенола возрастает от 8,3 мае. % при температуре 20 С до пол­ной взаимной смешиваемости при 66 °С.[2] Температура воды в ЖН порядка 40 ° С благоприятна для погло­щения газов (SO₂, СО₂, формальдегид); при повышении температуры до 90 °С ухудшение поглощения газов в какой-то степени компенси­руется увеличением поглощения паров жидких и твердых веществ за счет их растворения; приближение температуры воды к 100 °С при­ведет к усилению процессов перегонки с паром и азеотропной перегонке, мешающих удерживанию растворенных и осажденных веществ.

Конденсация жидких компонентов ОГ дизелей в интервале темпера­тур работы ЖН маловероятна из-за малых парциальных давлений, ко­торые при охлаждении не могут превысить давления насыщенного пара. При испытаниях ЖН исследовались растворы различной концентра­ции сернистого натрия (Na₂SO₃) с добавкой гидрохинона, соды (Na₂CO₃), двууглекислой соды (NaHCO₃), едкого калия (КОН), едкого натрия (NaOH) и их смесей. Анализ химических реакций, наблюдаю­щихся при жидкостной нейтрализации ОГ, позволяет сделать вывод, что при наибольшей поглотительной способности по всем участвующим в процессе жидкостной очистки компонентам наиболее практичны вод­ные растворы щелочей КОН и NaOH (2…10%) либо солевые растворы. При менее жестких требованиях по токсичности ОГ в ЖН часто приме­няют чистую воду.

В выпускной системе дизеля имеются благоприятные условия для коагуляции частиц сажи, размер которых, начиная от долей микро­на, увеличивается в выпускном тракте до 0,1… 10 мкм. В ЖН при пони­жении температуры ОГ при смешивании их с нейтрализующим раство­ром насыщенные пары воды, а также углеводороды переходят в пересы­щенное   состояние,   благодаря  чему начинается  образование  зародышей, приводящих в образованию капель. Несмотря на несмачиваемость сажи в нормальных условиях, зародышеобразование в первую очередь начинается на поверхности сажевых частиц. Под воздействием теплоты ОГ в нейтрализующем растворе происходит интенсивное испарение воды. В результате даже снижение температуры ОГ после слоя нейтра­лизующего раствора на 5…10 °С приводит к интенсивному образованию капель, которые поглощают сажевые частицы. При выходе из нейтра­лизатора капли с сажевыми частицами достаточно легко улавливаются фильтрами.[2]

Во всех конструкциях ЖН происходит в той или иной степени брызгоунос. В связи с растворением и химическим связыванием токсичных компонентов унос части нейтрализующей жидкости снижает эффек­тивность работы аппарата. На каплю действуют те же силы, которые воздействуют на взвешенные частицы в потоке ОГ. Преимущество отделения капель перед отделением твердых частиц состоит в том, что агломерация жидких капель происходит непосредственно после сепарации и уловленные капли могут быть отведены из устройства в виде потока жидкости, т. Е. отпадает необходимость в разгрузке и очистке, а также не изменяется сопротивление устройства.

Простейшее устройство для сепарации и конденсации капель с ис­пользованием силы тяжести представляет собой камеру, в которой снижается скорость ОГ. В результате все капли, скорость осаждения которых больше вертикальной скорости потока, будут отделяться. Однако для капель диаметром 100 мкм скорость осаждения состав­ляет 0,24 м/с, что требует значительных габаритов сепараторов и филь­тров.

В большинстве случаев для сепарации капель из О Г применяют различные виды насадок, которые устанавливают на выходе О Г из ЖН в виде слоя толщиной 80…200 мм и более.

В качестве насадок в ЖН используют жалюзи волнообразного и зигзагообразного профилей, различные насадки, проволочную на­бивку (диаметр проволоки от 0,07 до 0,4 мм), стружку, шлак, кус­ковой известняк, активированный уголь, селикагель, керамические кольца, металлическую шерсть и т. Д. Известняк и активированный уголь наиболее желательны, так как наряду с сепарацией капель они способствуют дополнительной химической очистке и фильтрации ОГ.

Оптимальная скорость ОГ, как правило, составляет 2…3 м/с. При скорости ОГ выше расчетной наступает вторичный унос ранее осевших капель:

Рассмотрим некоторые особенности работы различных типов ЖН.[1]

Жидкостные нейтрализаторы барботажного типа. Подавляющее количество разработанных и эксплуатируемых ЖН относится к типу барботажных.

Принцип их действия основан на пропускании ОГ дизеля через слой нейтрализующего раствора. Сопротивление перечислен­ных серийно выпускаемых ЖН составляет от 8 до 10 кН/м². Эффек­тивность очистки ОГ с помощью ЖН барботажного типа составляет по альдегидам до 50…100 %, по NO_X – до 10…20, сажи – до 10.. .30%. В барботажных ЖН отработавшие газы продувают через слой ней­трализующего раствора. Если слой жидкости достаточно велик (как правило, он составляет 30…60 см), то ОГ движутся через него в виде отдельных пузырьков. В результате трения о поверхность жидкости, ограничивающей каждый пузырек, заключенные в нем ОГ приобретают циркуляцию, скорость которой пропорциональна скорости подъема пузырька. Токсичные компоненты газовой фазы при этом диффунди­руют к поверхности жидкости либо в ней растворяются, либо химически связываются. Компоненты жидкой и твердой фаз ОГ, находящиеся внутри пузырьков, сепарируются к поверхности жидкости под дейст­вием инерционных сил, обусловленных циркуляцией ОГ внутри пузырь­Т, а также под влиянием диффузии и седиментации. Одновременно происходит охлаждение ОГ, что приводит к снижению гидродинами­ческого сопротивления ЖН. Несмотря на невысокие показатели эффек­тивности по очистке ОГ, они (ввиду относительной простоты при уме­ренных габаритных данных) нашли наибольшее применение для дизелей.

Некоторые модификации ЖН даны на рисунке 3.6. Из них наиболь­ший интерес представляет модель с кольцевым вводом ОГ, в которой в «улитке» достигается увеличение площади и времени контакта ОГ с нейтрализующим раствором, что приводит и к повышению эффек­тивности очистки ОГ.

Рисунок 3.5  Модификация барботажных    жидкостных    нейтрализато­ров:

А – нейтрализатор НТЖ-2: 1 –выпускная труба; 2 – перепуск­ной кран; 3 – дополнительный бак; 4 – заливная горловина; 5 – сепаратор; 6 – металлическая стружка; 7 – рабочий бак; 8 –коллектор; 9 — пробка сливного отверстия;    10   –   перегородки;

Б – система снижения токсичности ОГ: 1 – каталитический реактор; 2 – успокоительные решетки; 3 – газораспредели­тель;

В – жидкостный катализатор с кольцевым вводом ОГ: А – влагоотделительная насадка

Поверхностные и пленочные ЖН. В них контакт ОГ с нейтрализующим раствором происходит на его поверхности, величина которой определяется конструкцией жидкостного аппарата. В целом можно отметить недостаточную эффективность такого рода нейтрализаторов и их большие габариты. По этой причине их приме­няют редко.

Ранее при проектировании машин не учитывался вопрос снижения токсичности, установка ЖН на них очень затруднена, а в ряде случаев и вообще невозможна. Для таких машин перспективной является прин­ципиально новая конструкция ЖН, у которого реализована идея исполь­зования кузова (платформы) машины для размещения в его двойных стенках днища, боковых и переднем бортах ЖН. Такое исполнение позволяет оставить практически без изменения общую компоновку машины и ее габариты.

Жидкостные нейтрализаторы ударно-инерционного действия. В них контакт ОГ с нейтрализующим раствором осуществляется за счет направления потока ОГ сверху на поверхность раствора. При этом очистка газовой фазы ОГ идет по об­разуемой поверхности контакта двух фаз, а твердые частицы попадают и задерживаются в растворе благодаря силам гравитации и инерции.

В целом эффективность этих очистителей ниже барботажных, они удов­летворительно улавливают лишь частицы размером более 20 мкм и для дизелей неперспективны.

Жидкостные нейтрализаторы центробежного действия. В них осуществляется орошение ОГ в объемах, где га­зовый поток вращается с помощью специальных направляющих лопа­ток либо за счет тангенциального подвода ОГ. Применение их целесо­образно при улавливании сажевых частиц размером более 10…15 мкм и для дизелей они малоэффективны.

Динамические ЖН. Отработавшие газы в них контакти­руют с раствором в виде малых капель, интенсивное дробление кото­рого осуществляется с помощью лопаток ротора, имеющего привад от электродвигателя. Широкого распространения они не нашли глав­ным образом из-за   больших габаритов и сложности конструкции.

Наиболее эффективными следует считать комбинированные схемы ЖН, в которых используются различные комбинации перечисленных выше типов ЖН, в первую очередь распыливающего и насадочного типов.

Насадочные ЖН. Они представляют собой аппараты, в кото­рых ОГ пропускают через слой насадки, орошаемый нейтрализующим раствором. Эти нейтрализаторы, как правило, более эффективны, чем поверхностно-пленочные и барботажные. Они обладают одновременно относительно небольшими габаритами и гидродинамическим сопротив­лением. Насадка предназначена для увеличения поверхности контакта между нейтрализующим раствором и ОГ.

Принцип действия распыливающих ЖН основан на интенсивном дроблении газовым потоком, движущимся с относительно большой скоростью орошающего его нейтрализующего раствора. Осаждению частиц на каплях и растворению в них газовой фазы способствуют высокие относительные скорости между ними. Наиболее эффективными ЖН являются скрубберы Вентури, представляющие собой трубу Вентури, в которую подводится нейтрализующий раствор, а перед выбро­сом ОГ в атмосферу устанавливается каплеуловитель. В целом распы-ливающая конструкция ЖН характеризуется очень малыми габаритами, простотой конструкции и эксплуатации и очень высокой эффектив­ностью действия при умеренных сопротивлениях.

Эффективность работы ЖН значительно зависит от режимов рабо­ты двигателя. При длительной работе дизеля на режимах, близких к номинальным, происходит значительный нагрев нейтрализующего раст­вора, в результате чего снижаются его поглотительная способность и эффективность очистки ОГ. Одновременно при таких условиях увели­чивается расход нейтрализующего раствора.

3.5 Комбинированные нейтрализаторы

Комбинированный нейтрализатор рис. 3.6 работает следующим образом. [2]

Рисунок 3.6 Комбинированный нейтрализатор

Перед началом работы заправляют емкость 11 нейтрализирующей жидкостью через горловину. Отработавшие газы через входной патрубок поступают в корпус 2 каталитического нейтрализатора и при высокой температуре они очищаются от окиси углерода, углеводородов и других компонентов, а затем поступают в скруббер 3 Вентури, где происходит предварительная очистка газов от вредных компонентов сажи, NO4, SO₂, углеводородов, альдегидов и их охлаждение.

Выводы: Таким образом, рассмотрев существующие   типы нейтрализаторов, можно сделать следующие выводы:

• Термические нейтрализаторы при примерно одинаковой эффективности очистки ОГ от продуктов неполного сгорания по сравнению с ката­литическими нейтрализаторами обладают явными эксплуатационными преимуществами: большая долговечность, они не требуют замены и досыпки катализатора, их эффективность с наработкой не ухудшается.
• Эффективность работы ЖН значительно зависит от режимов рабо­ты двигателя. При длительной работе дизеля на режимах, близких к номинальным, происходит значительный нагрев нейтрализующего раст­вора, в результате чего снижаются его поглотительная способность и эффективность очистки ОГ. Одновременно при таких условиях увели­чивается расход нейтрализующего раствора.
• Ионизационные нейтрализаторы и комбинированные системы отличаются высокой дороговизной.
• Один из  наиболее   распростра­ненных методов снижения токсичности дизеля – очистка ОГ с помощью каталитических нейтрализаторов  (КН). Дизели работают с коэффици­ентом избытка воздуха, большим единицы, в их ОГ всегда содержится избыток кислорода. Поэтому независимо от типа дизеля и режима его работы в КН при температуре ОГ более 300 ° С всегда имеются условия для эффективной очистки ОГ от СО и СН_Х.

 4.1 Анализ аналогового сажевого фильтра

Широкомасштабное использование техники в сельском хозяйстве способствует росту про­изводительности и эффективности труда, однако оно сопряжено с последствиями, отрицательно влияю­щими на окружающую среду [1].

Основными видами воздействия автотракторной мобильной техники на природную среду являются: механические, химические, акустические и элект­ромагнитные. Главный из них – загрязнение атмос­феры отработавшими газами (ОГ). Вредные выбро­сы автотракторных двигателей вызывают серьезные заболевания у людей и сельскохозяйственных жи­вотных, сокращают урожайность (до 25 %) и сни­жают качество продукции, особенно в придорожной зоне автомагистралей [2].

В настоящее время на большинстве мобильной сельскохозяйственной техники применяют дизель­ные двигатели. Это объясняется тем, что дизели ра­ботают на сравнительно дешевом дизельном топли­ве, отличаются от бензиновых двигателей лучшей топливной экономичностью и, как правило, мень­шей токсичностью ОГ. Однако и дизельные двига тели не всегда удовлетворяют современным жест­ким требованиям по токсичности ОГ. Поэтому на­ряду с улучшением экономических показателей ди­зельных двигателей снижение токсичности ОГ яв­ляется важнейшей задачей.

Отработавшие газы дизельных двигателей пред­ставляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твер­дых частиц. Всего ОГ дизельных двигателей содер­жат около 280 компонентов, большинство из кото­рых токсичны [3]. Из них наиболее вредными для окружающей среды и человека являются оксид уг­лерода (СО), углеводороды (C_nH_m), оксиды азота (NO_X) и твердые частицы сажи.

Существует несколько средств и методов снижения токсичности и дымности ОГ автотракторных двигате­лей. Наиболее перспективными из них являются со­вершенствование конструкции двигателя, применение систем очистки ОГ, применение альтернативных ви­дов топлива, комбинированные методы и средства.

Одним из способов очистки ОГ дизельных дви­гателей является установка в выпускной системе дополнительных технических средств, обеспечива­ющих физико-химическую очистку ОГ, т.е. приме­нение термических, каталитических, восстанови­тельных и жидкостных нейтрализаторов, сажевых фильтров и др. Такой метод снижения токсичности позволяет без значительных изменений конструкции двигателя обеспечить достаточно эффективную очи­стку ОГ от образовавшихся в камере сгорания ток­сичных компонентов.

Установка термических нейтрализаторов (дожигателей) позволяет снизить содержание СН_Х и СО в ОГ на величину до 90 %. Эти нейтрализаторы более долговечны по сравнению с каталитическими, не требуют периодической регенерации или замены катализатора, их эффективность в процессе эксплу­атации не снижается. Но термические нейтрализаторы имеют ряд недостатков: большие габаритные размеры; требуют установки дополнительных сис­тем подвода теплоты и воздуха в реакционную ка­меру; в конструкции нейтрализатора необходимо использовать дорогостоящие жаростойкие матери­алы. Установка нейтрализатора приводит к увели­чению в 2…2,5 раза противодавления на выпуске, ухудшению топливной экономичности и потере мощности дизеля на 3… 5 %.

В настоящее время больше применяют катали­тические окислительные нейтрализаторы ОГ. По сравнению с термическими нейтрализаторами они эффективно нейтрализуют ОГ в широком диапазо­не скоростных и нагрузочных режимов работы ди­зеля, минимально снижают мощность из-за низкого противодавления на выпуске, имеют небольшие раз­меры и массу. Единственный недостаток таких ней­трализаторов — высокая стоимость из-за использования в них благородных металлов (платины, палладия, родия и др.).

В жидкостных нейтрализаторах выхлопные газы пропускают через слой нейтрализующей жидкости чаще используют воду). При этом вода интенсивно поглощает диоксиды углерода и азота, сажу, оксиды :еры, альдегиды. Недостатком этих нейтрализаторов является то, что по мере растворения токсич-1ых компонентов ОГ их растворимость в воде ухудшается. Поэтому хорошая очистка ОГ в жидкостных нейтрализаторах обеспечивается только при частой ;мене воды.

Одной из наиболее сложных проблем очистки ОГ дизелей является улавливание твердых частиц. Для снижения эмиссии твердых частиц применяют са­жевые фильтры различных конструкций. Основная масса частиц сажи имеет размер 0,05… 1,0 мкм, по­этому их улавливание традиционными фильтрами невозможно. Для этой цели применяют фильтры с фильтрующими элементами, выполненными из ме­таллокерамики, металлических волокон, металли­ческой сетки и др.

Недостатками существующих сажевых фильтров являются их сравнительно высокая стоимость, малый ресурс работы, сложность в производстве.

Анализ последних достижений в области конст­руирования нейтрализаторов и сажевых фильтров для дизелей, опубликованных в отечественных и за­рубежных научных изданиях и в сети Интернет, по­казывает, что в сравнении со всеми существующи­ми способами и устройствами снижения вредных выбросов наибольшее распространение получили комбинированные механические сажевые фильтры. Они более полно задерживают твердые и жидкие фракции ОГ на слое фильтрующего материала, а каталитический блок окислительного и восстанови­тельного типа с высокой степенью очищает ОГ от оксидов и углеводородов.

Рисунок 4.1 – Фильтр-нейтрализатор для очистки отработавших газов дизеля: 1 —входной патрубок, 2 — завихритель, 3 — реакционная камера, 4 — блок сажевого фильтра, 5 — каталитический блок. 6 — выходной патрубок

Принцип действия фильтра-нейтрализатора зак­лючается в следующем: при работе дизеля поток ОГ поступает во входной патрубок 1 и, проходя через завихритель 2, приобретает вращательное движение. Под действием центробежных сил происходит сепа­рация крупных частиц сажи диаметром более 1 мкм, после чего поток ОГ попадает в реакционную каме­ру 3. Затем газы проходят через пористые стенки фильтра 4, очищаются от сажи и попадают на трехкомпонентный катализатор 5, где происходит очист­ка ОГ от оксида азота (NO_X), оксида углерода (СО) и углеводородов (C_nH_m). Очищенные газы выходят из фильтра – нейтрализатора через патрубок 6.

Фильтрующие элементы блока сажевого фильт­ра расположены концентрично, что позволяет уве­личить общую площадь фильтрации. Для изготов­ления фильтрующих элементов использовали пори­стый сетчатый материал марки С685 [5] и каталити­ческий блок от серийного нейтрализатора. Завихритель более равномерно распределяет сажу на филь­трующих элементах, что способствует снижению гидравлического сопротивления, повышению качества очистки, увеличению срока службы фильтра и позволяет уменьшить габаритные размеры фильтра-нейтрализатора.

Разработанная конструкция позволит снизить выбросы твердых частиц на 64…81 %, оксида азота на 58…84 %, оксида углерода на 45…82 %, оксида уг­леводорода на 40…90 %. Сопротивление фильтра-нейтрализатора на номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя составляет 3.6 кПа.

4.2 Схема и принцип работы проектируемого фильтра

 В течение ряда лет нами ведутся работы по сни­жению токсичности и дымности дизелей. За это время разработаны и запатентованы эффективные средства снижения токсичных веществ в отработав­ших газах (ОГ) дизелей, в частности, антидымная присадка к топливу и сажевый фильтр.

Применение антидымных присадок к дизельному топливу не требует изменения конструкции двигате­ля, не снижает его мощностные показатели и практи­чески не сказывается на топливной экономичности.

Анализ состава присадок показал, что для широ­кого их применения необходимо снизить стоимость за счет упрощения технологии производства, при­менения недорогих компонентов, минимальной кон­центрации в топливе; выбрать материалы нетоксич­ные, стабильные в топливе (не выпадающие в оса­док), не вызывающие нагарообразование и повышен­ный износ деталей двигателя. Решение этих задач возможно при разработке новых присадок на основе металлов переходной группы, в частности железа.

С учетом существующих химических соединений, используемых в качестве антидымных присадок к дизельному топливу, патентного поиска, условий эффективности, доступности и нетоксичности разра­батываемой присадки нами исследован гидроксид же­леза.

Его эффективность можно объяснить процесса­ми, протекающими в камере сгорания. Fe (ОН)з ча­стично диссоциирует с образованием катионов же­леза и гидроксильиых групп:

Fe (ОН)₃ = 3Fe+ + ОН”.                (4.1)

Катионы железа, повышая концентрацию ионов в пламени в целом, снижают количество углеводо­родных ионов, которые являются зародышами для образования сажевых частиц.

Гидроксильные группы, в свою очередь, участву­ют в радикально-цепном механизме сжигания топ­лива и способствуют доокислению угарного газа до углекислого по схеме:

ОН* + СО = СО₂ + Н* (рост цепи).  (4.2)

При термическом разложении гидроксида желе­за образуются оксид железа и вода:

2Fe (ОН)₃ = Fe₂O₃ + ЗН₂О.               (4.3)

Положительное влияние воды на полноту сгора­ния топлива общеизвестно, а оксид железа можетпроявлять каталитическую активность в окислитель­но-восстановительных процессах:

С + 1/2О₂ = СО,                     (4.4)

СО + 1/2О₂ = СО₂                               (4.5)

Fe₂O3является окислителем, и поэтому нельзя исключить возможность восстановления его угарным газом или углеродом:

СО 4- Fe₂O₃ = С0₂ 4 FeO,         (4.6)

CO + FeO = CO₂ + Fe.             (4.7)

В результате протекания указанных реакций в отработавших газах дизелей снижается содержание сажи и СО.

При использовании антидымной присадки на ос­нове гидроксида .железа достигается снижение дым-ности ОГ по сравнению со стандартным дизельным топливом в среднем— на 45.,.50%, СО— на 15…20%.

На основе изучения достижений в области конст­руирования нейтрализаторов и сажевых фильтров предлагается конструкция сажевого фильтра (СФ), (рис. 4.2).

Устройство работает следующим образом: поток ОГ поступает во входной патрубок 2 фильтра, затем, проходя через завихритель 4, он приобретает враща­тельное движение. Под действием центробежных сил происходит сепарация крупных частиц сажи диамет­ром более 1 мкм, которые транспортируются потоком газов в сажесборник 5, представляющий собой набор керамических волокон. Основной поток ОГ равномер­но распределяется по всей ротационной камере 1 фильтра и проходит основную очистку в фильтрую­щем элементе 9. Далее несгоревшие частицы сажи осаждаются в некотором количестве на жаропрочной сетке 13, металлической путанке плоских слоев 12 и гофрированных слоях 11 с каталитическим покры­тием (оксид меди). Поскольку задняя часть гофриро­ванных слоев закрыта диском 15 с отверстиями на­против плоских слоев пакета, то ОГ меняют свое на­правление на 90° и перемешиваются с меньшей час­тью потока, фильтруемого в осевом направлении че­рез металлическую путанку и жаропрочную сетку. В результате смешивания потоков происходит столк­новение частиц, они слипаются в более крупные кон­гломераты и вследствие уменьшения скорости пото­ка налипают на поверхность фильтрующих слоев. Благодаря предварительной очистке ОГ от сажевых частиц этот процесс их накопления длится кратков­ременно. Далее происходит каталитическое окисле­ние сажи за счет снижения ее температуры с 600⁰ до 300…400 С. В этом режиме фильтр работает как до­жигатель сажи и нейтрализатор газовых токсичных компонентов (СО, СН и т.д.). В результате выгорания сажи проходные сечения в фильтрующем элементе 9 увеличиваются до своих исходных размеров, вслед­ствие чего снижается газодинамическое сопротивле­ние фильтра. В его конструкции также предусмотре­на  регенерация сажесборника от впрыска топлива при помощи форсунки и дожигания сажи.

Рисунок 4.2 –  Сажевый фильтр ОГ дизеля: 1 — ротационная камера; 2 — входной патрубок; 3 — выходной патрубок; 4 — завихритель; 5 — сажесборник; 6 — внешняя стен­ка; 7 — перфорированный цилиндр; 8 — форсунка; 9 — фильтрующий элемент; 10 — ограничитель; 11 — гофрированный слой; 12 -— плоский слой; 13, 14 — жаропрочная сетка; 15 — диск с отверстиями

С учетом годовой загрузки трактора МТЗ-80, оборудо­ванного СФ и укомплектованного различными сель­хозмашинами построен график суммарной токсич­ности дизеля в зависимости от частоты вращения (п) и эффективной мощности дизеля (N_e) (рис. 4.3).

Исследование дымности ОГ дизеля при соответству­ющем пересчете по шкале Хартриджа позволяет опре­делить концентрацию сажевых частиц и их массу. Результаты исследования дымности на входе и выхо­де СФ при работе дизеля Д-240 в различных скорост­ных и нагрузочных режимах представлены на рисунке.

Разработанная  конструкция СФ обеспечит стабильность показателей очистки ОГ дизеля в течение всего периода эксплуа­тационных испытаний. Степень очистки в среднем по саже 55…65 %, оксидам углерода — 35…40 % и оксидам азота — 10… 15 % . Отмечено также сниже­ние уровня шума дизеля Д-240 на 6 %, что дает воз­можность использования его в качестве глушителя.

В настоящее время рассматривается возможность одновременного применения на дизеле СФ и антидымной присадки с целью повышения эффективно­сти очистки ОГ от сажи и оптимизации процесса регенерации фильтра.

Рисунок 4.3 –  Изменение дымности ОГ на входе (D_Cbх) и  выходе (D_свых) СФ дизеля Д-240 от эффективной мощности (N_e)

и так далее…………………