Проведенный анализ конструкций устройств для влажной очистки ОГ ДВС выявил ряд проблем, оказывающих существенное влияние как на эффективность очистки ОГ так и на возможность их применения в целом в условиях конкретного производства, наиболее существенные из них:
- большие габариты и масса;
- необходимость частой смены рабочего нейтрализующего раствора или воды;
- резкое снижение эффективности работы нейтрализаторов при работе двигателя на режимах, близких к номинальным;
- большое гидравлическое сопротивление.
С целью решения этих проблем были разработаны конструкции устройств [3,4,5,6,7,8] для очистки отработавших газов дизельных двигателей внутреннего сгорания, схема одного из которых представлена на рисунке 1. Виды, поясняющие устройство жидкостного нейтрализатора и технологию его работы представлены соответственно на рисунках 2 и 3.
1- датчик положения коленчатого вала; 2,17 – времязадающие цепи; 3- металлические трубки для подачи нейтрализующего раствора; 4 – выхлопной коллектор; 5 – аэрозольная камера; 6 - датчик положения регулятора; 7 – форсунки; 8 – бак с нейтрализующим раствором; 9 – жидкостной насос; 10 – эжектор; 11- центробежный каплеуловитель; 12 – жидкостной нейтрализатор; 13 – блок ключей; 14 – резисторная сборка; 15 – ключ; 16 – источник тока; 18 – интегральный блок таймер; 19 – электронный блок управления.
Рисунок 1 – Схема устройства для очистки отработавших газов дизельных двигателей внутреннего сгорания.
20 – впускной патрубок аэрозольной камеры; 21, 24 – конический завихритель; 22 – выпускной патрубок аэрозольной камеры; 23 – впускной патрубок центробежного каплеуловителя; 25 – выпускной патрубок центробежного каплеуловителя; 26 – труба отвода жидкости;
Рисунок 2 – Схема жидкостного нейтрализатора.
Рисунок 3 – Схема очистки устройством отработавших газов дизельных двигателей внутреннего сгорания.
Электронный блок управления (ЭБУ) жидкостного нейтрализатора 19 предназначен для управления подачей нейтрализующего раствора в аэрозольную камеру 5, посредством форсунок 7, получающих раствор из бака 8 с роторным погружным жидкостным насосом 9 (рис 4, г)). ЭБУ 19 подключается к бортовой сети транспортного средства номиналом 12В постоянного тока. Имеет разъемы для подключения датчика положения коленчатого вала двигателя 1, датчика положения регулятора 6, блока-измерителя температуры [5], четырех форсунок 7 и источника питания 16. Не имеет встроенных коммутационных приборов и начинает работать автоматически при подаче напряжения от внешнего источника.
Устройство работает следующим образом. ОГ от дизельного двигателя поступают из выхлопного коллектора 4 во впускной патрубок аэрозольной камеры 20 (рис 4). Проходя через завихритель 21, поток газа приобретает направленное вращательное движение. Использование завихрителя 21 в нейтрализаторе способствует выравниванию значений локальных скоростей потока ОГ и снижению показателей неравномерности распределения скоростей потока, что важно для осуществления процесса очистки ОГ [1]. Затем вихревой поток проходит обработку нейтрализующим раствором форсунками 7, установленными радиально в корпусе аэрозольной камеры 5 (рис 4, б)). Форсунка 7 представляет собой электромагнитный клапан, пропускающий нейтрализующий раствор при подаче на него напряжения и запирающийся под действием возвратной пружины при снятии напряжения. Впрыск аэрозоли осуществляется с частотой работы двигателя и регулируется электронным блоком управления 19. Одновременный впрыск эмульсии по меньшей мере тремя форсунками 7 придает дополнительный вращательный импульс движущемуся потоку. Процессы улавливания, химического связывания и нейтрализации токсичных компонентов и сажевых частиц, содержащихся в ОГ, совершаются при непосредственном контакте между обрабатываемыми газами и мельчайшими каплями нейтрализующего раствора, разбрызгиваемого форсунками 7 аэрозольной камеры 5, посредством чего достигается развитая поверхность их контакта, что позволяет осуществить заданное изменение состояния ОГ в объеме ограниченном аэрозольной камерой 5, в течении малого промежутка времени. Известно, что для дизельной сажи характерно образование вторичных структур из отдельных цепочек в виде разветвленных цепей, а также в виде плотных скоплений отдельных цепочек (конгломератов), соединенных за счет адсорбционных сил [1, 2]. Процесс осаждения сажевых частиц и вредных веществ на каплях жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высокой скоростью движения частиц жидкости и сажи в корпусе и выпускном патрубке аэрозольной камеры, имеющего форму конфузора. Эффективность осаждения в значительной степени зависит от равномерности распределения жидкости, подаваемой форсунками 7, по сечению аэрозольной камеры 5.
Пройдя аэрозольную обработку, отработавшие газы выводятся из корпуса 5 аэрозольной камеры через выпускной патрубок 22 и, пройдя через эжектор 10 (рис 4, в)), смешиваясь с атмосферным воздухом, поступают во впускной патрубок 23 центробежного каплеуловителя 11, где, проходя через конический завихритель 24 двухфазный газожидкостный поток приобретает направленное вращательное движение, при этом жидкая фаза и задержанные ею посторонние не газообразные примеси под действием центробежных сил сепарируются на внутренней стенке корпуса центробежного каплеуловителя 11, а пар и очищенный газ поступают в выпускной патрубок 25. Жидкая фаза, в виде тонкой пристеночной пленки, продвигается по корпусу центробежного каплеуловителя 11 и попадает в полость между выпускным патрубком 25 и корпусом 11 и удаляется через трубу для отвода жидкости 26. Очищенная газовая фаза выводится через выпускной патрубок 25 в атмосферу. Таким образом, центробежный каплеуловитель 11 (рис 4, а)) способствует не только удалению из потока задержанных раствором вредных веществ, но и уменьшению количества уносимой в атмосферу влаги в целом. Во впускном патрубке каплеуловителя 10, имеющего форму диффузора происходит рост давления и снижение скорости потока, что способствует коагуляции мелких частиц.
а) б) в)
г)
Рисунок 4 – Общий вид основных элементов опытного образца жидкостного нейтрализатора.
Одним из наиболее важных свойств аэрозолей в целом и сажи в частности, является непрерывная и самопроизвольная коагуляция их частиц. Частицы вещества при соприкосновении сливаются или слипаются, аэрозоль становится все более грубым. Соприкосновения возникают в результате движения частиц, что приводит к их соединению друг с другом и уменьшению, таким образом, общего числа индивидуальных частичек. Атомы углерода, находящиеся на краях кристаллических решеток, имеют свободные валентности, по которым к ним присоединяются атомы отдельных плоских решеток углерода или целые цепочки атомов. Если рассматривать процесс на более крупном уровне, то надо учитывать влияние ряда факторов, таких как размер частиц, форма и структура их поверхностей, а так же влияние адсорбированных на частицах веществ, от которых зависит, слипаются ли частицы при столкновении или нет. Хорошо известно, что сажевые частицы, благодаря своему строению и значительной удельной поверхности, поглощают из потока газа и адсорбируют на своей поверхности некоторые вредные вещества [1].
Таким образом, можно сделать вывод, что сажевые частицы способны уносить на своей поверхности некоторое количество вредных компонентов из отработавших газов двигателя. Удаляя из потока отработавших газов сами сажевые частицы, увеличивая при этом долю адсорбции на них вредных компонентов отработавших газов, мы получаем дополнительную возможность снижать количество вредных компонентов поступающих в окружающую среду при работе дизельных двигателей.
Увеличить долю адсорбции вредных компонентов отработавших газов на поверхности сажевых частиц возможно несколькими способами, например, создавая условия для управляемой турбулизации потока, путем применения специальных устройств – завихрителей. Закрученный поток имеет ряд преимуществ перед прямоточным – это и интенсивный турбулентный обмен, и наличие зон рециркуляции, способствующие стабилизации химических процессов и интенсивному массообмену между веществами [1]. Двигаясь в закрученном потоке частицы сажи будут, во-первых, чаще соприкасаться друг с другом, что приведет к их коагуляции и объединению в более крупные конгломераты, а во-вторых, частицы смогут адсорбировать на своей поверхности большее количество молекул вредных веществ из потока отработавших газов. Коагуляция положительно сказывается и на процессах улавливания сажи, так как из-за высокой степени дисперсности дизельной сажи и сравнительно низкой концентрации её в отработавших газах, на некоторых режимах работы двигателя, эффективность применения таких распространенных и хорошо зарекомендовавших себя в промышленности устройств, как например мультициклоны, не превышает 60% и это при значительном увеличении противодавления на выпуске [2]. Следует отметить, что аппараты для сухой очистки газов, в основу работы которых положен эффект от воздействия на взвешенную частицу сил инерции, гравитационных или центробежных сил, относительно просты в конструкции, недороги в производстве и обслуживании и не требуют дополнительных устройств для осуществления рабочего процесса, в отличии от так же хорошо зарекомендовавших себя в области очистки газов электрофильтров.
Из сказанного ранее следует, что некоторые физические процессы, происходящие в аппаратах для сухой очистки отработавших газов, при их совместном течении с химическими процессами, имеющими место при влажной очистке отработавших газов, могут позволить повысить качество очистки, за счет оптимального использования свойств веществ, участвующих в процессе.
Литература
1. Гиевой Сергей Александрович – Снижение вредных выбросов при эксплуатации автотракторных дизелей путем применения сажевого фильтра: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук – М.:РГБ, 2003
2. Кононенко В.Д. Совершенствование пылеулавливающих аппаратов в промышленности технического углерода. Тематический обзор. – М, 1985.
3. Олейник Д.О. «Нейтрализатор для очистки отработавших газов дизельных двигателей» // Ежемесячный научный журнал «Молодой ученый», выпуск №5 / 2009
4. Олейник Д.О. «Устройство для очистки отработавших газов дизельных двигателей с автоматическим регулированием режима работы» // Ежемесячный научный журнал «Молодой ученый», выпуск №8 / 2009
5. Решение о выдаче патента на полезную модель 2008148586/22 (063637), от 28.01.2009, приоритет от 08.12.2008
6. Тришкин И.Б., Олейник Д.О., «Устройство для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания» // Вестник Федерального Государственного общеобразовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина», выпуск №1 (32) / 2009.
7. Тришкин И.Б., Олейник Д.О., Свидетельство Р. Ф. на полезную № 77353 кл. F01N 3/02. Устройство для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.
8. Тришкин И.Б., Олейник Д.О., Свидетельство Р. Ф. на полезную модель № 83292 кл. F01N 3/02. Устройство для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.
