Исследование термокаталитической регенерации сажевого

Рабочие процессы в ДВС
УДК 621.436.068
Ю.И. Шеховцов, инж., Л.С. Заиграев, канд. техн. наук
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ САЖЕВОГО
ФИЛЬТРА ДИЗЕЛЕЙ
Введение
рации при заданных условиях эксплуатации дизеля,
Сегодня чрезвычайно остро стоит проблема за-
которая позволяет согласовывать эксплуатационные
грязнения окружающей среды вредными и токсич-
характеристики СФ и дизеля.
ными веществами, выбрасываемые с отработавшими
В зависимости режима работы дизеля регене-
газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания, в ча-
рация может протекать самопроизвольно – автореге-
стности с дизелями, одним из недостатков которых
нерация: расход и температура ОГ, концентрация
является увеличенный выброс в окружающую среду
кислорода достаточны для выгорания сажи, и прину-
твердых частиц (ТЧ).
дительно, когда используются методы воздействия
Современное экологическое законодательство
предъявляет высокие требования к выбросам ТЧ с
на рабочий процесс дизеля или специальные устройства, повышающие температуру газов.
ОГ дизелей: 0,02 г/(кВт∙ч) (Euro IV). Выполнение
Теоретические исследования крайне мало рас-
этих требований возможно с установлением в систе-
крывают влияние режимных параметров дизеля на
му выпуска дизеля сажевого фильтра (СФ). Надеж-
выгорания сажи, в частности концентрации кислоро-
ная работа фильтра невозможна без своевременной
да, расхода и температуры ОГ.
регенерации его фильтрующего элемента (ФЭ). Это
Целью работы является расчетно-теоретического
определяет актуальность исследования и развития
исследование термокаталитической регенерации СФ
систем регенерации СФ дизелей [1–3].
на основе математической модели выгорания сажи в
зернистом слое ФЭ, опубликованной в работе [3].
Разработанная математическая модель выгора-
Формулирование проблемы
Регенерация современных СФ дизелей базиру-
ния сажи в слое ФЭ учитывает явление нестационар-
ется на термокаталитическом выгорании углеродной
ного переноса теплоты в ФЭ, химизм и кинетику
части ТЧ (сажи), накопленной в ФЭ. Развитие техно-
термического и термокаталитического выгорания
логий регенерации СФ дизелей направлено на экспе-
накопленной сажи.
риментальное исследование каталитических систем
выгорания сажи, и расчетно-теоретическое исследование процесса регенерации ФЭ и влияние на него
Результаты расчетно-теоретического исследования регенерации
Термическое воспламенение и выгорание сажи
режимных параметров дизеля [1–3].
требуют
в структуре ФЭ происходит за счет остаточного ки-
значительных временных и материальных затрат и
слорода, содержащегося в ОГ дизельного двигателя,
исследовать таким образом все возможные условия
при достижении температуры 550…600 оС. Темпера-
эксплуатации становиться не рационально.
турный режим надежной термокаталитической реге-
Экспериментальные
исследования
Расчетно-модельные исследования позволяют
нерации составляет 300…400 оС. Длительная работа
выявить факторы, влияющие на процесс регенера-
дизеля на режимах частичной нагрузки не способст-
ции. Это очень важно для выбора стратегии регене-
вует выгоранию накопленной сажи в фильтре. Реге-
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2004
57
Рабочие процессы в ДВС
нерация ФЭ не происходит вследствие низких тем-
рис. 1.а можно объяснить влиянием теплообмена.
ператур ОГ, однако концентрация кислорода нахо-
Рост степени регенерации при малых расходах объ-
дится на достаточном уровне.
ясняется ростом температуры слоя и воздуха.
ственно на выгорание сажи будет оказывать количество ОГ, определяемое режимом работы двигателя
или регенеративного устройства. Расход ОГ дизеля,
во-первых, непосредственно влияет на мощность,
затрачиваемую на прогрев ФЭ газами, в случае принудительной регенерации фильтра. Во вторых, высокая концентрация кислорода в газах не является гарантией надежной регенерации ФЭ фильтра, когда
расход газов небольшой.
Принудительная регенерация предполагает организацию благоприятных условий для выгорания
сажи в слое СФ и может осуществляться при участии
двигателя или без него.
100
80
Каталитическое
выгорание
[О2]= 20,9 %
Т = 350 оС
 = 500 c
60
40
Общее
выгорание
20
0
0
200 400 600 800
Расход газа, кг/ч
а)
Степень регенерации, %
температура и концентрация кислорода в ОГ. Суще-
Степень регенерации, %
На процесс регенерации СФ влияет не только
100
80
60
40
3
2
1 – Т = 300 оС,  = 500 с
2 – Т = 350 оС,  = 500 с
3 – Т = 500 оС,  = 90 с
20
1
0
800 975 1150 1325 1500
Частота вращения, мин–1
б)
Рис. 1. Влияние расхода газа и концентрации кислорода на степень регенерации:
а – принудительная регенерація вторичным воздухом; б – полнопоточная регенерация в диапазоне
режимов работы дизеля 6Ч 12/14
В области больших расходов количество тепло-
Основной задачей для принудительной регене-
ты, выделяемой при сгорании сажи, не приводить к
рации является создание простого регенеративного
значительному увеличению температуры воздуха и
устройства с минимальной энергоемкостью, согла-
слоя ФЭ, даже при увеличении скорости выгорания
сующейся с мощностью двигателя. На первый план
за счет достаточности кислорода. Температура слоя
выступают затраты энергии на регенерацию, завися-
приближается к температуре прогретого воздуха, и
щие от количества прогреваемых газов. Результаты
степень регенерации асимптотически приближается
моделирования выгорания сажи в ФЭ в зависимости
к постоянному значению для данных условий.
от расхода воздуха для определенной продолжитель-
Для полнопоточной и авторегенерации значе-
ности регенерации () и температуры газов (Т) при-
ние приобретают характеристики ОГ, зависящие от
ведены на рис. 1.
условий эксплуатации двигателя. На рис. 1.б пред-
Результаты расчетных исследований представлены для фильтра с ФЭ объемом 5,2 л. ФЭ представ-
ставлена зависимость степени регенерации от частоты вращения коленчатого вала дизеля 6Ч 12/14.
ляет собой зернистый слой глинозема со средним
При температуре ОГ 300 оС степень регенера-
размером 4,5 мм. Количество сажи распределяется
ции во всем диапазоне частот вращения коленчатого
следующим образом, с катализатором взаимодейст-
вала мала. На этих режимах сажа выгорает на ката-
вует 22,5 г, а в слое находится 27,5 г.
литической поверхности, температура ОГ и в слое
В области малых расходов выгорание зависит
ФЭ почти не повышается. За 500 секунд выгорает
от количества воздуха, попадающего в ФЭ. С увели-
23…25 % сажи, соприкасающейся с катализатором.
чением расхода воздуха растет степень регенерации,
Тем не менее, небольшая степень регенерации обес-
достигая максимума. Экстремальность кривых на
печивает скорость выгорания сажи намного больше
58
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2004
Рабочие процессы в ДВС
по сравнению со скоростью накопления ее в слое.
Заключение
Поэтому, в случае довольно частых периодов работы
Дальнейшие расчетно-теоретические исследо-
дизеля на таких режимах в течение 5…10 минут, СФ
вания процесса термокаталитической регенерации
не нужна принудительная регенерация.
необходимо направить на оптимизацию условий
о
При 350 С сажа интенсивно выгорает на ката-
протекания принудительной регенерации с учетом
литическом покрытии с концентрацией кислорода
таких факторов, как концентрация кислорода, расход
9,9…11,4 %. Длительная работа двигателя на таких
газов, масса накопленной сажи и теплофизические
режимах обеспечит работу фильтра без существен-
свойства фильтрующего материала. Такие исследо-
ной его загрузки и режим авторегенерации ФЭ. В
вания позволят минимизировать затраты мощности
таком режиме работы СФ не требуются затраты до-
на прогрев ОГ и ФЭ с учетом обеспечения термиче-
полнительной мощности для принудительной реге-
ской стойкости материала фильтра.
нерации, что улучшает экономичность дизеля, обо-
регенерации ФЭ дизельного СФ на базе математиче-
рудованного системой улавливания ТЧ.
На
режимах
полного
нагружения
Исследования процесса термокаталитической
дизеля
о
ской модели выгорания сажи в слое ФЭ с одной сто-
6Ч 12/14 температура ОГ может достигать 500 С,
роны раскрывают влияние характеристик дизеля на
что с запасом перекрывает диапазон каталитического
степень регенерации, с другой – результаты модель-
воспламенения сажи для различных катализаторов.
ных исследований позволяют прогнозировать пове-
Хотя на режимах повышенной нагрузки концентра-
дение фильтра в реальных условиях эксплуатации
ции кислорода ниже, чем на режимах частичной на-
двигателя.
грузки, скорость выгорания очень велика. Высокая
скорость выгорания способствует быстрому прогреву слоя ФЭ и ОГ до температур 600…650 оС.
Процесс термокаталитической регенерации СФ
на режимах полного нагружения протекает интенсивно: за 90 секунд выгорает 80…99 % сажи на катализаторе. Кратковременные нагрузки на двигатель в
течение 2…3 минут позволяют наиболее полно регенерировать ФЭ. Опасным для таких процессов является длительная работа дизеля на режимах частичных нагрузок и холостого хода, приводящая к значительному накоплению сажи в слое, что при регене-
Список литературы
1. Johnson T. V. Diesel Emission Control in Review // SAE
Techn. Pap. Ser. – 2000. – № 2000-01-0184. – P. 23 – 39.
2. Particulate Trap Selection for Retrofitting Vehicle Fleets
Based on Representative Exhaust Temperature Profiles / A.
Mayer, P. Nothiger, R. Zbinden, R. Evequoz // SAE Techn.
Pap. Ser. – 2001. – № 2001-01-0187. – P. 65 – 77. 3. Шеховцов Ю.И., Заиграев Л.С. Математическая модель
выгорания твердых частиц в структуре дизельного
сажевого фильтра // Авиационно-космическая техника
и технология. – 2003. – № 7/42. – С. 16 – 19.
рации способствует возникновению значительных
перепадов температур, разрушению материала ФЭ и
изменению свойств катализатора.
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2004
59