Класифікація пристроїв для очищення відпрацьованих газів двигуна внутрішнього згоряння від частинок сажі

2. Короткий  аналіз відомих винаходів  і патентів по очищенню відпрацьованих газів двигуна внутрішнього згоряння від частинок сажі

     На  сьогоднішній день одним з головних забруднювачів атмосфери дисперсними  частками (сажею) великих міст є автомобільний транспорт. У зв'язку із цим екологічні вимоги до сучасного автомобіля являються сьогодні пріоритетними. Ведуться спроби розробки повністю екологічно безпечного автомобіля.

     Екологічна  безпека – це властивість автомобіля знижувати негативні наслідки впливу його експлуатації на учасників руху й навколишнє середовище. Вона спрямована на зниження токсичності відпрацьованих газів, зменшення шуму, зниження радіоперешкод при русі автомобіля.

     Незважаючи  на численні спроби замінити двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) яким-небудь іншим, який не виділяє токсичні речовини, альтернативи йому поки немає. А якщо принципово новий двигун і з'явиться, то переналагодження виробництва для його крупносерійного випуску вимагатимуть грандіозних капіталовкладень, і відбудеться це далеко не відразу. Разом з тим уже зараз людство підійшло до тієї межі, коли без екологічно чистого автомобіля просто не обійтися. І вихід поки бачиться один – треба якщо не повністю виключити, то у всякому разі звести до мінімуму шкідливі викиди ДВЗ.

     У зв'язку із цим ведуться численні розробки різноманітних фільтрів, каталізаторів, допалювачів відпрацьованих газів автомобіля, які покликані максимально поліпшити показники екологічної безпеки автомобіля. Незважаючи на значну кількість розробок і патентів у даній області техніки, автотранспорт як і раніше далекий від екологічної досконалості та вносить до 70% сумарного токсичного забруднення атмосфери міст планети. Варто відзначити, що більшість способів і пристроїв очищення відпрацьованих газів, які використовуються на автотранспорті, аналогічні способам і пристроям очищення промислових газів. Відрізняються вони від останніх в основному меншими розмірами й спрямованістю фільтрації.

     Всі відомі винаходи у вигляді способів і пристроїв екологічного очищення відпрацьованих газів ДВЗ можна розділити на внутрішні (безпосередньо в самому ДВЗ) і зовнішні (очищення відпрацьованих газів, у випускному тракті ДВЗ) [2]. Внутрішні способи очищення досягаються шляхом зміни конструкції двигуна та пов’язані з оптимізацією робочого процесу. До даних способів відносяться оптимізація форми впускних та випускних каналів, які створюють направлений рух повітря в камері згоряння, підвищення тиску впорскування, наприклад за допомогою насос-форсунок, оптимізація камери згоряння, наприклад, за рахунок зменшення «шкідливих» об’ємів та форми виїмки у поршні. Застосування даних способів впливає на показали викидів сажі двигуном як вторинна дія, оскільки вони розраховані в основному для оптимізації показників роботи самого двигуна, що в свою чергу покращує показники викидів шкідливих речовин разом з відпрацьованими газами. Зовнішні методи очищення відпрацьованих газів ДВЗ, як і в промисловому очищенні, у більшості випадків засновані на використанні різних фізичних принципів, про що говорилося вище. Багато з них орієнтовані саме на вловлювання й/або утилізацію часток сажі. Проведемо короткий аналіз відомих винаходів і патентів по цій темі.

1. Спосіб очищення шляхом механічного сепарування

     Відомі  способи й пристрої механічного сепарування твердих і рідких домішок відпрацьованих газів, характерних для дизельного транспорту, шляхом обертання потоку відпрацьованих газів, з наступним нагромадженням сажі й мастила в спеціальних бункерах із систематичним видаленням. Прикладом даного способу може служити пристрій для очищення відпрацьованих газів ДВЗ, який зображено на рисунку 2 [3].

Рис. 2. Механічний сепаратор  відпрацьованих газів з наступним нагромадженням сажі та мастила:

1 – корпус; 2 – впускний патрубок; 3 – випускний патрубок; 4 – ротор; 5 – вісь; 6 – вставка; 7 – сильфон; 8 – ребро жорсткості; 9 – магнітодроти; 10 – багатофазна обмотка; 11 – датчик тиску; 12 – трубопровід для відводу; 13 – регулятор витрати повітря; 14 – дренажна трубка; 15 – шлях руху газів; 16 – шлях руху домішок.

     Пристрій  для очищення відпрацьованих газів ДВЗ шляхом механічного сепарування працює наступним чином.

     Ротору 4, встановленому на осі 5, надається обертальний рух. Обертання ротора 4 за рахунок сил аеродинамічного тертя повідомляє газу в корпусі 1 обертально-поступальний рух, спрямований убік обертання ротора 4 і від впускного патрубка 2 до випускного 3. Таким чином, усередині корпуса 1 формується досить стійкий газовий потік, що засмоктує відпрацьовані гази з вихлопного колектора ДВЗ у нижню частину корпуса 1, а потім – у зазор між ротором 4 і вставкою 6, яка встановлена всередині корпуса 1. Стрілками 15 показано напрямок вертикального руху газів. У зазорі під дією відцентрових сил, зумовлених обертальною складовою загального руху газів, тверді й рідкі частки, що містяться у відпрацьованих газах, переміщаються до вставки 6 й осідають на ній, що показано стрілками 16. Очищені в такий спосіб відпрацьовані гази через випускний патрубок 3 ідуть в атмосферу. Вставка 6 виконана знімною й при досягненні певного ступеня забруднення заміняється на нову. Як матеріал для вставки 6 рекомендується використовувати непроклеєний картон, повсть, багатошарові матеріали, які добре вбирають сажу, мастила та інші домішки, що містяться у відпрацьованих газах ДВЗ. Сильфон 7 служить для сполучення пристрою з вихлопними колекторами ДВЗ різних типів. Відомо, що відпрацьований газ ДВЗ містить забруднення в дрібнодисперсному стані, тому для ефективного їхнього осадження необхідні досить великі відцентрові сили. Крім того, для забезпечення досить великої пропускної здатності пристрою потрібна і висока вертикальна швидкість газів всередині корпуса 1. Для виконання цих умов необхідна висока частота обертання ротора 4, а щоб забезпечувати механічну міцність і твердість ротора 4 при такій частоті обертання всередині нього виконані ребра жорсткості 8.

     Для обертання ротора 4 можуть використовуватися електродвигун постійного струму або магнітодроти. Схеми підключення обох варіантів приводу показані відповідно на рисунках 3,а та 3,б.

а)       б)

Рис. 3. Схеми підключення  приводу ротора пристрою сепарування відпрацьованих газів:  17 – джерело електроенергії; 18 – водяний реостат; 19 – електродвигун постійного струму; 20 – обмотка збудження; 21 й 22 – додаткові резистори; 23 – випрямляч; 24 – трансформатор; 25 й 26 – діоди; 27 – керований випрямно-інверторний перетворювач; 28 – вимикач.

     Недоліками даного способу є складність реалізації, значні енерговитрати і велика матеріалоємність, оскільки об'єм сажі, яка сепарується, є досить великий через її низьку густину. Термічне ж розкладання сажі економічно недоцільне й приводить до збільшення обсягу окису вуглецю.

2. Спосіб плазмового допалювання

     Відомі  плазмові способи й пристрої допалювання відпрацьованих газів, шляхом пропущення відпрацьованих газів через факел низькотемпературної плазми. Прикладом даного способу може служити пристрій зображений на рисунку 4 [4].

Рис.4. Плазмовий допалювач відпрацьованих газів:

1– камера допалювання; 2 – ділянка у вигляді труби Вентурі з термостійкого матеріалу; 3 – канал для підводу повітря; 4 – паливна форсунка; 5 – електрод.

     Даний пристрій реалізує плазмовий спосіб очищення працює наступним чином.

     Потік відпрацьованих газів, проходить ділянку 2, при цьому його швидкість зростає за рахунок зменшення прохідного перерізу. За ділянкою 2 відбувається зрив потоку і його турбулізація. Турбулизований відпрацьований газ попадає в струмінь низькотемпературної повітряної плазми, яка генерується електродами 5, у цю ж зону додатково подається паливо через форсунки 4. Низькотемпературна повітряна плазма й паливо в результаті реакції між собою являється генераторами активних часток, які, змішуючись із турбулизованими відпрацьованими газами, приводять до активізації горіння продуктів неповного згоряння відпрацьованих газів, у тому числі й частинок сажі.

     Крім  того, подача палива через форсунки 4 приводить до підвищення температурного рівня процесу у всій камері 1 допалювання, а отже, до більш інтенсивного впливу продуктів плазмохімічних реакцій на продукти неповного згоряння відпрацьованих газів.

     Реакції, що відбуваються при змішанні низькотемпературної  повітряної плазми з додатковим паливом, приводять до утворення надрівноважних концентрацій атомів і радикалів, а також великої кількості продуктів неповного перетворення вуглеводнів. Наявність таких частинок у зоні хімічних реакцій дозволяє різко інтенсифікувати процес нейтралізації відпрацьованих газів.

     Утворення заряджених і хімічно активних частинок відбувається в турбулізованому потоці відпрацьованих газів, що сприяє інтенсивному розподілу центрів хімічної реакції по об'єму потоку, а також збільшує швидкість реакції й сприяє більш повному її протіканню, тобто підвищує ефективність нейтралізації відпрацьованих газів.

     Недоліками даного способу є значні енерговитрати при використанні додаткового палива, несприятливі температурні режими вихлопної труби при її перегріві плазмою. Крім того, зростає обсяг окислювача, що призводить до збільшення об’ємів відпрацьованих газів.

3. Електрофільтрування

     Відомі  способи й пристрої электрофільтрування відпрацьованих газів ДВЗ [5] шляхом впливу електричним полем на електрично заряджені частки (тверді та рідкі) відпрацьованих газів з їхнім електростатичним осадженням на спеціальні електроди з наступним систематичним видаленням осаду. Даний спосіб покладений в основу пристрою зображеного на рисунку 5, який реалізує даний спосіб наступним чином.

Рис. 5. Пристрій для електрофільтрування відпрацьованих газів ДВЗ:

1 – ДВЗ; 2 – відпрацьовані гази; 3 – камера; 4 – блок тиристорного запалювання; 5 та 6 – електроди; 7 – генератор; 8 – впорскувач аерозолі; 9 – аерозоль; 10 – пластина; 11 – відстійна ємність; 12 – сітка.

     Очищення  відпрацьованих газів, у пристрої реалізується так.

     Відпрацьовані гази 2 від двигуна 1 надходять у камеру 3, у якій від електродів 5 й 6 обробляються електричними імпульсами високої напруги від блоку 4 тиристорного запалювання, потім водяною аерозолю 9 від впорскувача 8. Обробку відпрацьованих газів 2 електричними імпульсами й подачу в них водяної аерозолі здійснюють із частотою запалювання паливної суміші у двигуні 1. Шпаруватість обробки відпрацьованих газів 2 електричними імпульсами регулюють задаючим генератором 7. Вологу з розчиненими в ній домішками конденсують на пластині 10 і збирають у відстійній ємності 11, сажу збирають на сітці 12 поблизу електродів 5 та 6 і систематично видаляють, а очищені вихлопні гази випускають у навколишнє середовище.

     Недоліками способу є низька надійність через труднощі забезпечення надійної електроізоляції різноіменно заряджених пластин електрофільтру в умовах осадження сажі та кіптяви на внутрішній поверхні пластин і високих температур, а також значне додаткове використання електричної енергії мережі автомобіля.

     Відомі  також способи очищення відпрацьованих газів від сажі шляхом її электротермічного розкладання. Однак даний спосіб є енергозатратним і неприйнятний для автотранспорту з його низькою потужністю електрогенератора.

4. Комбіновані системи очищення

     Особливої уваги вимагають комбіновані  системи очищення відпрацьованих газів ДВЗ. Прикладом такого пристрою може служити пристрій, що комбінує в собі сажовий каталітичний фільтр, каталітичний блок відновлення оксидів азоту й каталітичний блок окислювання оксиду вуглецю й вуглеводнів, запатентований в Російській Федерації [6]. На малюнку 6 зображені поздовжній і поперечний розрізи даного пристрою.

Рис. 6. Комбінований пристрій очищення відпрацьованих газів ДВЗ:

1 – корпус; 2 – вхідний  патрубок; 3 – вихідний  патрубок; 4 – кремнеземна тканина; 5 – торець; 6 – перфорована ділянка; 7 – перфорована перегородка; 8 – сажовий фільтр грубого очищення; 9 – електронагрівальний елемент; 10 – оболонка; 11 – порожнина; 12 – сажовий фільтр тонкого очищення; 13 –  каталітичний блок відновлення оксидів азоту; 14 – каталітичний блок окислювання оксиду вуглецю й вуглеводнів; 15 – вогнегасний фільтр; 16 – резонаторна камера.

     Цікавим моментом у конструкції пристрою є те, що на внутрішню поверхню корпуса й у сажових фільтрах грубого та тонкого очищення даного, а також на поверхні каталітичного блоку відновлення оксидів азоту й каталітичного блоку окислювання оксиду вуглецю й вуглеводнів нанесено каталізатори, які виконані на основі складного оксиду Cu_xCo²⁺_yCo³⁺ _2ySr_zZr_0,5zTi_{1-(0,5x+2y+z)}О₂.

     Робота  даного пристрою для очищення відпрацьованих газів двигуна внутрішнього згоряння здійснюються таким чином.

     Відпрацьовані гази ДВЗ надходять по трубі вхідного патрубка 2. Ударяючись о внутрішню поверхню торця 5 корпуса 1, і змінивши напрямок руху, газовий потік надходить через перфоровану ділянку 6 труби вхідного патрубка 2, каталітичний сажовий фільтр 8 грубого очищення й отвори в перфорованій перегородці 7 у внутрішній простір корпуса 1, де розташовані оболонки 10. При цьому великі й середні частинки сажі затримуються каталітичним сажовим фільтром грубого очищення 8, де відбувається їхнє каталітичне окислювання.