CC BY
19SCIENCES OF EUROPE # 24, (2018) | TECHNICAL SCIENCES
55
СНИЖЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА
Кушнир В.Г.
Костанайский Государственный Университет им. А. Байтурсынова, доктор технических наук
Дмитренко Д.А.
Костанайский Государственный Университет им. А. Байтурсынова, магистрант Костанай
DECREASE OF TOXICITY OF WORKING GASES BY USING A THERMAL NEUTRALIZER
Kushnir V.G.
Kostanay State University. A. Baytursynova, Doctor of Technical Sciences Dmitrenko D.A.
Kostanay State University them. A. Baytursynova, master student
Kostanay
АННОТАЦИЯ
Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности, к устройствам для снижения токсичности отработавших газов бензиновых двигателей транспортных средств, сельскохозяйственного назначения.
Задача изобретения - снижение токсичности отработавших газов бензиновых двигателей.
Технический результат заключается в снижение теплопотерь из высокотемпературной зоны реакционной камеры в окружающую среду, а также дополнительном нагреве отработавших газов и вторичного воздуха.
Термический нейтрализатор состоит из теплоизоляционного цилиндрического корпуса со съемной нижней частью, тангенциального входного и выходного патрубков, цилиндрического циклона с усеченным конусом на выходе, воздухопровода вторичного воздуха, электрического нагревателя и блока управления.
ABSTRACT
The invention relates to agriculture, in particular, to devices for reducing the toxicity of exhaust gases of petrol engines of vehicles, agricultural purposes.
The task of the invention is to reduce the toxicity of exhaust gases of gasoline engines.
The technical result consists in reducing heat losses from the high-temperature zone of the reaction chamber to the environment, as well as additional heating of the exhaust gases and secondary air.
The thermal converter consists of a heat insulating cylindrical body with a removable bottom, tangential inlet and outlet nozzles, a cylindrical cyclone with a truncated cone at the outlet, a secondary air duct, an electric heater and a control unit.
Ключевые слова: Сельское хозяйство, окружающая среда, бензиновые двигателя, отработавшие газы, токсичность, продукты неполного сгорания, оксид углерода (СО), углеводороды (СН), снижение токсичности, термический нейтрализатор, теплопотери, реакционная камера, нагрев, вторичный воздух, снижение теплопотерь, высокотемпературная зона, химические реакции.
Keywords: Agriculture, environment, gasoline engine, exhaust gases, toxicity, products of incomplete combustion, carbon monoxide (CO), hydrocarbons (CH), reduction of toxicity, thermal neutralizer, heat loss, reaction chamber, heating, secondary air, reduction of heat losses, high temperature zone , chemical reactions.
Состояние атмосферного воздуха, от которого зависят климат и биосфера Земли, является определяющим фактором для жизни человека, существование животного и растительного мира, плодородия почвы. В современных условиях развития человеческого общества всё большее внимание уделяется качественному улучшению ресурса атмосферного воздуха и его охране.
Значительное загрязнение атмосферы происходит при получении различных видов энергии. На сегодняшний день наиболее распространенными источниками механической энергии для транспортных средств являются двигатели внутреннего сгорания. При эксплуатации двигателя внутреннего сгорания в атмосферу с отработавшими газами выбрасывается ряд токсичных соединений, что ведет к значительным изменениям естественных экологических систем. В большей степени этому подвержены места концентрации автотракторной техники
из-за локального загрязнения атмосферы. Согласно прогнозам ООН, основанным на анализе современных достижений в создании новых источников энергии и тенденций обновления автотракторного парка, двигатели внутреннего сгорания в ближайшем будущем сохранят ведущее положение на транспортных средствах. На долю автотракторной техники по данным статистики приходится до 60% вредных выбросов[1, с. 3]. Автомобилями и тракторами в мире выбрасывается в атмосферу примерно 20-27 млн. т СО, 2-2.5 млн.т СНх, 6-9 млн.т Шх, до 190 т. соединений серы, до 100 тыс. т. Сажи, 13 тыс. т. тяжелых металлов, 200-230 млн. т. СО2, а также выделяется до 3,1*1012 МДж теплоты в год[2, с. 7].
Большую роль в загрязнении воздушного бассейна играют бензиновые двигатели. На их долю приходится более 60% суммарной установленной мощности транспортных энергетических установок и более 55% их токсичных выбросов[2, с.7].
Автомобильный транспорт относится к основным источникам загрязнения окружающей среды. В крупных городах на долю автотранспорта приходится более половины объема вредных выбросов в атмосферу. В мегаполисах эта величина доходит до 70 - 90%. Несоответствие транспортных средств экологическим требованиям при продолжающемся
увеличении транспортных потоков приводит к постоянному росту вредных веществ в атмосферном воздухе, почве и водных объектах [1, с. 3]. Ниже приведены факторы воздействия транспортной техники на природную среду.
8С1БМСБ8 ОБ БИЯОРБ # 24, (2018) | ТБСИЫ1СЛЬ 8С1БМСБ8
Проводимые мероприятия по уменьшению вредных выбросов в отработавших газах основываются на использовании известных зависимостей между составом рабочей смеси и количеством вредных компонентов в отработавших газах.
Считается, что наиболее токсичны отработавшие газы бензиновых двигателей, и дизелизация парка машин позволяет частично решить проблему загрязнения воздушного бассейна. Однако проведенные исследования в данной области показывают, что отработавшие газы дизельного двигателя по совокупности и значимости токсичных компонентов в 2,5 раза не уступают бензиновому двигателю. Поэтому дизелизация парка машин ка метод снижения токсичности отработавших газов двигателя нецелесообразна.
Из всех известных методов снижения токсичности отработавших газов бензинового двигателя наиболее эффективны и популярны методы, направленные на совершенствование конструкции двигателя и его систем, а также на очистку отработавших газов от вредных компонентов каталитическими катализаторами.
Первоначально значительное снижение токсичности достигалось за счет совокупного объединения тепловоздушной смеси, использования бесконтактной системы зажигания, рециркуляции отработавших газов, нейтрализатора двойного действия и использование альтернативных топлив. Однако при ужесточении европейских норм по токсичности отработавших газов комплекс вышеперечисленных мероприятий не смог обеспечить достаточного снижения токсичности.
Частично решить данную проблему удалось применением системы электронного впрыска топлива с обратной связью, а также каталитического нейтрализатора тройного действия. Данные конструкции позволяют снизить содержание в отработавших газах основных компонентов бензинового двигателя (СО, СИ, МОх) до требуемых санаторных норм.
В свою очередь, применение системы электронного впрыска топлива с нейтрализатором тройного действия ограничивает возможность ее работы. Связано это с тем, что в режиме прогрева, а также на неустановившихся режимах происходит обогащение топливовоздушной смеси. Это приводит к изменению стехиометрического состава теп-ловоздушной смеси и, как следствие, к снижению эффективности действия нейтрализатора. Следовательно, на вышеуказанных режимах работы двигателя происходит выброс значительного количества токсичных компонентов в атмосферу даже с применением нейтрализатора.
Кроме того, каталитический нейтрализатор имеет и некоторые другие существенные недостатки - высокую стоимость, чувствительность к каталитическим ядам, отсутствие нейтрализации в режиме прогрева двигателя в течении 15 - 20 мин [2, с. 36].
В настоящее время существует множество других методов очистки отработавших газов. Наиболее
57
эффективным, на наш взгляд, является метод использования термического нейтрализатора с подачей дополнительно прогретого воздуха в реакционную камеру.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является термический нейтрализатор [3]. Последний включает за-вихритель, места подвода вторичного воздуха, реакционную камеру с теплоизоляцией, кожух и патрубки входа и выхода отработавших газов.
Недостатком прототипа является снижение эффективности очистки отработавших газов: 1) в данном устройстве большие тепловые потери в реакционной зоне; 2) на режимах прогрева, малых нагрузок и холостого хода; 3) вторичный воздух, подаваемый в термический нейтрализатор ниже температуры отработавших газов, что снижает его реакционную способность.
Задача изобретения - снижение токсичности отработавших газов бензиновых двигателей за счет повышения количества дожигаемых продуктов неполного сгорания, оксида углерода (СО) и несго-ревших углеводородов (СН) на режимах прогрева, малых нагрузок и холостого хода.
Термический нейтрализатор представляет собой устройство, состоящее из теплоизолированного корпуса, воздуховода, нагревательного элемента. Подача воздуха осуществляется штатно установленным компрессором в реакционную камеру термического нейтрализатора. Нагрев воздуха и отработавших газов в режиме прогрева происходит за счет нагревательного элемента.
В нижней части корпуса устройства снижения токсичности отработавших газов установлен электрический нагреватель, представляющий собой ни-хромовую спираль, уложенную в концентричные канавки диэлектрика, который нагревает отработавшие газы до необходимой температуры обеспечивающей протекание реакций дожигания СО и СН.
Навитый на циклон воздухопровод позволяет нагревать отработавшими газами вторичный воздух, подаваемый в термический нейтрализатор, что увеличивает его реакционную способность с продуктами неполного сгорания.
При данных условиях протекают следующие химические реакции:
1. 2МО + О2 ^ 2МО2 - при температуре меньше 6000С
2. 2МО ^ N2 + О2 - бимолекулярный распад при температуре от 6000С до 11600С
3. 2МО + О2 ^ 2О2 + N2 - при температуре больше 11600С
4. 2СО + О2 ^ 2СО2 - догорание СО при температуре от 6800С до 12000С
5. СН4 + О2 ^ 2Н2О + СО2 - окисление и распад при температуре выше 3000С
Для подтверждения выдвинутых теоретических предпосылок нами были проведены поисковые экспериментальные исследования на автомобилях ЗИЛ - 130 и ПАЗ - 672, с установкой термического нейтрализатора, рисунок 1.
Рисунок 1 - Термический нейтрализатор
Термический нейтрализатор состоит из теплоизолированного цилиндрического корпуса с внешними 6, внутренними 7 стенками и теплоизолирующего слоя 8, имеет тангенциальный входной 3 и выходной 4 патрубки. Внутри цилиндрического корпуса с зазором от внутренних стенок установлен цилиндрический циклон 9 с усеченным конусом на выходе. На циклон 9 навит воздухопровод 10 для нагрева подаваемого в термический нейтрализатор вторичного воздуха.
В нижней части корпуса устройства расположен электрический нагреватель 1, представляющий собой нихромовую спираль 11, уложенную в концентрические канавки диэлектрика 12.
Электрический нагреватель 1 подключен к бортовой сети машины и его включение и отключение осуществляется с помощью блока управления 13 нагревателем по сигналу датчика 5 температуры отработавших газов.
Для возможности обслуживания электрического нагревателя нижняя часть корпуса выполнена съемной, закрепленной стяжными болтами 2.
Термический нейтрализатор отработавших газов работает следующим образом.
Отработавшие газы от двигателя внутреннего сгорания поступают по тангенциальному входному патрубку в циклон, где они приобретают вращательное движение. Достигнув нижней части корпуса, газовый поток разворачивается на 1800 и покидает реакционный объем устройства снижения токсичности через выходной патрубок.
При своем движении в устройстве отработавшие газы интенсивно перемешиваются с предварительно разогретым вторичным воздухом подаваемым в реакционную камеру устройства, контактируют с внутренними стенками, с поверхностью циклона, получают тепловую энергию, излучаемую электронагревателем, и тем самым достигают температуры, необходимой для эффективного дожигания продуктов неполного сгорания (СО и СН).
При работе двигателя внутреннего сгорания на режимах, соответствующих температуре отработавших газов, превышающих 3000С, электронагреватель отключается, а дальнейшее протекание процесса осуществляется за счет нагрева газов от внутренних стенок корпуса, поверхности циклона, тепло-и массобмена с ранее разогретыми отработавшими газами.
При работе двигателя внутреннего сгорания на режимах прогрева, малых нагрузок и холостого хода, когда температура отработавших газов недостаточна для протекания вышеуказанных химических реакций, о сигналу датчика блок управления подключает электронагреватель в бортовую сеть, тем самым обеспечивая необходимую температуру отработавших газов для более эффективного протекания реакций дожигания продуктов неполного сгорания.[4]
Литература
1. Лиханов В. А., Сайкин А. М. Снижение токсичности автротракторных дизелей. - М.; «Агро-промиздат», 1991. - 208с.
2. Кульчинский А. Р., Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: Учебное пособие для высшец школы: 2-е изд. - М.: «Академический проект», 2004. - 400с.
3. Куницын С. А., Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: «Разработка и исследование термического нейтрализатора отработавших газов бензиновых двигателей средств малой механизации» - Владимир, 2001г. - 16с. (прототип).
4. Дмитренко Д. А., Инновационный патент №23547 на изобретение: «Термический нейтрализатор отработавших газов бензиновых двигателей» - Астана, 2009г.
