Реферат Отчет: 180 стр., 11 рис., 12 табл., 72 источника
Скачать 2.36 Mb.
|
1.6.2 Дизельный фильтр-нейтрализатор. Конструкция дизельного фильтра-нейтрализатора отработавших газов должна обеспечивать: - эффективную фильтрацию потока отработавших газов от ДЧ; - периодическое и непрерывное удаление аккумулированных фильтром частиц путем их окисления (регенерацию фильтра) так, чтобы общее газодинамическое сопротивление ПСН в процессе эксплуатации не превышало 1200 мм водяного столба. Как и при расчете дизельного окислительного катализатора, сначала выбираются основные геометрические параметры фильтра (фронтальная площадь, объем, позиция в системе выпуска, плотность ячеек и др.). Затем соответствие этих параметров техническим требованиям проверяются и уточняются по результатам математического моделирования физических и химических процессов происходящих в фильтре по методике, приведенной в разделе 1.5.3 настоящего отчета. Так как фронтальная площадь фильтра влияет на противодавление выпускной системы и соответственно на мощностные показатели и топливную экономичность двигателя, ее величина выбирается с учетом номинальной мощности двигателя. Если фильтр установлен за окислительным катализатором, тогда, как правило, его фронтальную площадь выбирают равной фронтальной площади катализатора, чтобы не создавать дополнительных газодинамических потерь, связанных с изменением площади проходного сечения. Объем каталитического нейтрализатора зависит от назначения автомобиля и обычно больше объема дизельного окислительного катализатора в 1,5 – 3,0 раза (большие значения относятся к дизелям, применяемым на тяжелых грузовых автомобилях и больших автобусах, имеющих большие пробеги). Для предварительного выбора объема и последующего расчета рекомендуется объем фильтра равный утроенному объему окислительного нейтрализатора. Методика расчета фильтра предусматривает проверку его газодинамического сопротивления (см. раздел 1.5.3), и определение влияния положения в выпускной системе на температуру фильтра с помощью модели физико-химических процессов происходящих в ПСН [10]. Анализ результатов расчета фильтра-нейтрализатора и их экспериментальная проверка, выполненные в рамках настоящей работы [10,11], подтверждают адекватность разработанной методики расчета и позволяют рекомендовать ее для предварительного выбора основных параметров фильтра на стадии проектирования. 1.6.3 Селективно-восстановительный катализатор. Селективно-восстановительный катализатор конструктивно отличается от окислительного катализатора в основном геометрическими размерами и материалом каталитического покрытия. Как и при расчете дизельного окислительного катализатора, предварительно выбираются основные геометрические параметры селективно-восстановительного катализатора (фронтальная площадь, объем, позиция в системе выпуска, плотность ячеек и др.). Затем соответствие этих параметров техническим требованиям проверяются и уточняются по результатам математического моделирования физических и химических процессов происходящих в катализаторе по методике, приведенной в разделе 1.5.2 настоящего отчета. Как правило, фронтальную площадь селективно-восстановительного катализатора выбирают равной фронтальной площади окислительного катализатора и дизельного фильтра ОГ, чтобы не создавать дополнительных газодинамических потерь, связанных с изменением площади проходного сечения. Объем каталитического нейтрализатора зависит от назначения автомобиля и, как правило, сопоставим с объемом дизельного фильтра. По сравнению с окислительным катализатором его объем больше в 1,3-5 раз. Увеличенный объем при сохранении плотности ячеек и загрузки катализатором (серебром, если в качестве восстановителя используется водород, или медь/цеолит, если восстановителем является аммиак) увеличивает геометрическую поверхность катализатора, что благоприятно для повышения его эффективности, особенно на повышенных скоростных и нагрузочных режимах. Методика расчета селективно-восстановительного катализатора предусматривает проверку его эффективности, и определение влияния положения в выпускной системе на температуру катализатора с помощью модели физических и химических процессов происходящих в ПСН. При использовании в качестве восстановителя карбамида для обеспечения эффективной конверсии NOx в молекулярный азот его температура должна находиться в диапазоне 300-400оС. При расчете положения катализатора в ПСН следует учитывать потенциально высокие температуры в фазе активной регенерации фильтра, расположенного выше по потоку. Анализ результатов расчетов селективно-восстановительных нейтрализаторов и их экспериментальная проверка, выполненные в рамках настоящей работы [10,11], подтверждают адекватность разработанной методики расчета и позволяют рекомендовать ее для предварительного выбора основных параметров нейтрализатора на стадии проектирования.
Для определения основных характеристик ПСН в целом и отдельных ее функциональных элементов были проведены две серии испытаний и исследований - на экспериментальном стенде, созданном в рамках данной работы [11], с использованием модельных газов и на моторном стенде в условиях работающего двигателя. Испытания проводились в соответствии с Программой и методикой 16.516.11.6132 ПМ. 1.7.1 Цель исследований. Определение эффективности двух вариантов макетов типовых перспективных систем нейтрализации ОГ в целом и характеристик отдельных функциональных элементов этих вариантов ПСН. 1.7.2 Объект, методика и программа исследований. Объектом исследований являлись два варианта макетов типовых ПСН в составе: - вариант А: дизельный окислительный катализатор, фильтр-нейтрализатор с системой каталитической регенерации и селективно-восстановительный катализатор с водородом в качестве восстановителя; - вариант Б: дизельный окислительный катализатор, фильтр-нейтрализатор с системой термокаталитической регенерации и селективно-восстановительный катализатор, использующий в качестве восстановителя раствор карбамида; а также основные функциональные элементы этих вариантов ПСН: окислительный каталитический нейтрализатор, фильтр-нейтрализатор с системой регенерации, два варианта селективно-восстановительного нейтрализатора с системами подачи водорода и раствора карбамида, замерзающего при низких температурах (минус 15-20оС). Принципиальные схемы макетов ПСН вариантов А и Б приведены на рисунках 1.8 и 1.9.  Рисунок 1.8 – Принципиальная схема типового макета ПСН варианта А: 1 – дизельный двигатель; 2 – окислительный нейтрализатор; 3 – фильтр-нейтрализатор с системой регенерации; 4 – селективно-восстановительный нейтрализатор с системой восстановления NOx водородом.  Рисунок 1.9 – Принципиальная схема макета ПСН варианта Б: 1 – дизельный двигатель; 2 – окислительный нейтрализатор; 3 – фильтр-нейтрализатор с системой регенерации; 4 – селективно-восстановительный нейтрализатор с системой восстановления NOx замерзающим при низких температурах раствором карбамида. Испытания и исследования функциональных элементов макетов типовых ПСН и перспективной системы нейтрализации в целом были выполнены на разработанном в рамках данного проекта экспериментальном испытательном стенде с использованием синтетических газов, имеющих концентрации токсичных компонентов близкие по составу реальным ОГ дизельного двигателя. Стенд позволял изменять в широких пределах объемную скорость газа (до 200 тыс. ч-1), температуру (свыше 550оС), расход мочевины (до 10 см3), концентрацию NO (до 1000 ppm). Кроме того, испытания макетов типовых ПСН были выполнены на моторном стенде в составе модифицированного дизельного двигателя типа ЗМЗ-514.10, обеспечивающего выполнение экологических норм Евро-4. Техническая характеристика дизеля приведена в промежуточном отчете [11]. При этом система нейтрализации модифицированного дизеля заменялась макетами ПСН. Определение удельных значений вредных выбросов с ОГ при испытании в условиях моторного стенда производилось на 13 стационарных режимах по методике Правил ЕЭК ООН № 49-03. Композиция газовой смеси на входе и выходе из основных элементов ПСН или ПСН в целом измерялась газоаналитическим оборудованием Horiba MEXA. Концентрация СО и СО2 измерялась инфракрасным методом, концентрация СН - пламенно-ионизационным методом, а концентрация NO и NOx – хемилюминисцентным методом. Концентрация NO2 определялась по замерам NOx и NO и последующему вычитанию результатов этих двух измерений. Погрешность измерения СО, СО2, СН и NOx не превышала 2%. Программа модельных испытаний макетов ПСН на экспериментальном стенде предусматривала проведение испытаний: 1. Дизельного окислительного каталитического нейтрализатора с определением влияния температуры и расхода газа моделирующего ОГ дизеля на эффективность очистки от СО и СН, а также преобразование NO в NO2. 2. Фильтра-нейтрализатора с определением характеристик активной регенерации и влияния активной регенерации на газодинамическое сопротивление фильтра. 3. Комбинации окислительного каталитического нейтрализатора и фильтра-нейтрализатора с определением влияния пассивной регенерации на газодинамическое сопротивление фильтра и влияния каталитических покрытий окислительного нейтрализатора и фильтра-нейтрализатора на конверсию СО и СН. 4. Селективно-восстановительного каталитического нейтрализатора (вариант А) с определением влияния температуры газа, моделирующего ОГ дизеля, и концентрации водорода на эффективность очистки его от NOx. 5. Селективно-восстановительного каталитического нейтрализатора (вариант Б) с определением влияния температуры газа, моделирующего ОГ дизеля, на эффективность очистки его от NOx. 6. Макета ПСН вариант А по определению эффективности конверсии СО, СН и NOx при температуре 350оС. 7. Макета ПСН вариант Б по определению эффективности конверсии СО, СН и NOx при температуре 350оС. Программа испытаний макетов типовых ПСН в условиях моторного стенда в составе модифицированного дизеля типа ЗМЗ-514.10 предусматривала проведение: 1. Предварительных испытаний дизеля по калибровке двигателя и динамометра. 2. Стендовых испытаний макетов типовых ПСН (двух вариантов) на 13 стационарных режимах, в составе дизеля с определением: - уровня очистки вредных газообразных веществ от исходного значения; - уровня очистки дисперсных частиц от исходного значения; - общего газодинамического сопротивления ПСН. 1.7.3 Результаты модельных исследований. Дизельный окислительный нейтрализатор. Исследования дизельного окислительного нейтрализатора показали, что в модельных условиях его эффективность существенно зависит от температуры и в значительно меньшей степени от расхода модельного газа (в исследованном диапазоне). Коэффициенты конверсии СО и СН окислительного нейтрализатора достигают максимума при температуре 250-370оС равного соответственно 91 и 81% при расходе 75 м3/ч. Коэффициент конверсии NO в NO2 окислительного нейтрализатора достигает максимального значения равного 65% в диапазоне температур 300-350оС и начинает снижаться при увеличении температуры выше 350оС. С увеличением расхода модельного газа до 150 м3/ч коэффициенты конверсии СО, СН и NO немного снижаются (на ~5%) при низких температурах (180-200оС) в основном из-за уменьшения времени пребывания вредных веществ в катализаторе. Анализ результатов исследований нейтрализатора подтверждает адекватность разработанной методики расчета. Фильтр-нейтрализатор. Экспериментальные исследования фильтра-нейтрализатора в модельных условиях показали, что его газодинамическое сопротивление существенно зависит от удельной загрузки сажей (массы сажи в единице объема фильтра) и от расхода модельного газа. По мере аккумулирования ДЧ фильтром-нейтрализатором его газодинамическое сопротивление увеличивается. Поэтому для обеспечения нормальной работы двигателя (без потери мощности и топливной экономичности) необходима его регенерация. Эффективным методом периодической (активной) регенерации является термическое окисление сажи кислородом за счет увеличения температуры ОГ до 550-600оС. Повышение температуры модельного газа в результате окисления топлива на каталитической поверхности фильтра-нейтрализатора приводит к запуску механизма регенерации, индикатором которой является уменьшение перепада давлений на фильтре. Дополнительное повышение температуры при регенерации обеспечивает тепло, выделяющееся при окислении СО, СН, входящих в состав модельного газа, и окисление сажи аккумулированной в фильтре. Анализ результатов исследования показал, что величина максимальной температуры и продолжительность регенерации существенно зависят от загрузки фильтра сажей. Чем больше загрузка сажей, тем выше температура регенерации и короче продолжительность. Причина сокращения продолжительности регенерации заключается в том, что большее количество сажи, захваченной фильтром, выделяет при окислении больше тепла. Кроме того, окисление сажи при повышенных температурах происходит значительно быстрей (в экспоненциальной зависимости от температуры). Анализ также показал, что общее количество топлива, которое требуется для регенерации фильтра, заметно уменьшается при повышении температуры регенерации. Уменьшение расхода топлива связано с тем, что при пониженной температуре требуется больше времени для выжигания того же количества сажи и соответственно больше топлива для поддержания заданной температуры в течение более длительного времени. Окислительный нейтрализатор + фильтр-нейтрализатор. Другим эффективным методом регенерации фильтра является низкотемпературное окисление сажи диоксидом азота (NO2). Диоксид азота формируется в окислительном нейтрализаторе и дополнительно на каталитической поверхности самого фильтра. Результаты исследования пассивной регенерации фильтра-нейтрализатора, предварительно загруженного сажей, показаны на рисунке 1.10. Анализ приведенных результатов показывает, что при относительно низкой температуре (200-240оС) регенерации не происходит (противодавление не увеличивается), так как температура не достаточна для конвертирования NO в NO2 в окислительном нейтрализаторе. Кроме того, фильтр-нейтрализатор не достаточно прогрет, чтобы обеспечить протекание реакции NO2 – углерод с ощутимой скоростью. При дальнейшем увеличении температуры скорости обеих реакций повышаются и окислительный катализатор конвертирует все больше NO в NO2. Эти NO2 эффективно реагируют с углеродом, накопленным в фильтре.  Рисунок 1.10 – Изменение перепада давления ∆р на фильтре-нейтрализаторе при пассивной регенерации: Т – температура модельного газа на входе в фильтр. В результате начиная с температуры ~ 280-300оС потери давления начинают заметно уменьшаться вследствие окисления сажи, что свидетельствует о начале пассивной регенерации фильтра. Испытания комбинации окислительный нейтрализатор - фильтр-нейтрализатор по определению влияния их каталитических покрытий на конверсию СО и СН показали, что установка фильтра-нейтрализатора повышает эффективность конверсии СО и СН на 1,0-1,5%. Это связано с тем, что каталитическое покрытие фильтра дополнительно конвертируют СО и СН, не прореагировавшие в окислительном нейтрализаторе. В целом, испытания подтвердили ожидаемый синергетический эффект от комбинирования окислительного нейтрализатора и фильтра, который выразился в уменьшении расхода топлива на регенерацию по сравнению с активной регенерацией. Селективно-восстановительные нейтрализаторы. Вариант А (восстановитель водород). Модельные исследования показали, что концентрация водорода на входе в селективно-восстановительный катализатор существенно улучшает эффективность нейтрализатора, особенно при низких температурах. При отсутствии подачи водорода коэффициент конверсии NOx достигает максимума 48% при температуре 370оС. В этом случае восстановителем являются углеводороды модельного газа [67]. Увеличение концентрации водорода существенно улучшается низкотемпературная активность катализатора и расширяется температурное «окно» восстановления NOx. Максимум коэффициента конверсии NOx смещается от 370оС (Н2 = 0) к 250оС (Н2 = 6000 ppm) и к 200оС (Н2 = 11000 ppm). Вариант Б (восстановитель раствор карбамида). Испытания показали, что температура модельного газа и концентрация аммиака, полученного из раствора карбамида, на входе в селективно-восстановительный катализатор существенно влияют на коэффициент конверсии нейтрализатора. Недостаточная подача аммиака (раствора карбамида) по сравнению со стехиометрической (NH3:NOx = 0,7) существенно понижает активность катализатора в полном диапазоне температур модельного газа. Повышенная подача аммиака (NH3:NOx = 1,1) обеспечивает наилучшую эффективность нейтрализатора в полном исследованном диапазоне температур модельного газа c максимумом коэффициента конверсии NOx = 80% в диапазоне температур 250-300оС. Следует отметить, что при избыточном дозировании NH3 небольшое количество их может проскальзывать через катализатор, не прореагировав с NOx, особенно при температуре ОГ выше 250оС. Чтобы устранить проскальзывание аммиака, в системе селективного восстановления NOx водным раствором карбамида, после восстановительного катализатора установлен финишный окислительный катализатор преобразующий аммиак в азот. Испытания показали, что в диапазоне температур модельного газа 150-350оС коэффициент конверсии NH3 в N2 составляет не менее 80%, что соответствует современным требованиям. ПСН варианты А и Б. Модельные испытания двух вариантов ПСН в целом были выполнены при одинаковых условиях, соответствующих режиму работы дизеля типа ЗМЗ-514.10 при 2389 мин-1 и полной нагрузке (точке 2 по циклу ESC Правил ЕЭК ООН № 49-03). Для эффективной работы селективно-восстановительного катализатора обеспечивалась оптимальная подача восстановителя на вход катализатора. Основные результаты модельных испытаний перспективных систем нейтрализации приведены в таблице 1.4. Таблица 1.4 - Основные результаты модельных испытаний перспективных систем нейтрализации.
Выводы. В целом, экспериментальные исследования и испытания в модельных условиях на экспериментальном испытательном стенде с использованием синтетических газов подтвердили эффективность этого метода исследований и испытаний отдельных функциональных элементов ПСН, различных комбинаций этих элементов и ПСН в целом. Экспериментальный испытательный стенд позволяет имитировать температуру, расход и композицию реальных отработавших газов дизеля путем соответствующего регулирования температуры, расхода и композиции набора синтетических газов. Стенд позволяет исследовать влияние конструкции каталитических нейтрализаторов, сажевого фильтра, вспомогательных систем (регенерации, дозирования восстановителя) и условий их индивидуальной и совместной работы на характеристики отдельных функциональных элементов ПСН и ПСН в целом. Экспериментальный стенд и методика проведения исследований и испытаний отдельных функциональных элементов ПСН, различных комбинаций этих элементов и ПСН в целом рекомендуются для практического использования при создании систем нейтрализации и фильтрации ОГ с целью обеспечения выполнения перспективных экологических стандартов. Результаты проведенных исследований и испытаний проведенные на экспериментальном испытательном стенде с использованием синтетических газов позволили подтвердить и уточнить рекомендации по выбору основных конструктивных характеристик каталитических нейтрализаторов и фильтра, полученные на этапе расчетного моделирования. Испытания показали, что достигнутая эффективность обоих, разработанных в рамках данного проекта, вариантов макетов типовых ПСН (А и Б) обеспечивает при температуре 350оС комплексную очистку модельных газов от газовых компонентов вредных выбросов (СО, СН и NOx), до уровня достаточного для выполнения экологических требований Евро-5, что соответствует требованиям технического задания. | ||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 | Реферат Отчет 41 с., 1 ч., 24 рис., 1 табл., 24 источника Учебное и научное астрономическое оборудование Астрономической обсерватории ниаи им. В. В. Соболева Математико-механического факультета... | | Реферат Отчет 118 с., 7 ч., 30 рис., 12 табл., 43 источника, 1 прил Центральной проблемой водородной энергетики являются большие затраты на хранение и транспортировку водорода. Наиболее безопасными... |
| Реферат Отчет 65 с., 3 ч., 26 рис., 8 табл., 53 источника Фазовый химический состав, эффективный заряд атомов, рентгеновская эмиссионная спектроскопия, спектроскопия отражения рентгеновских... | | Реферат (18 стр., рис., 3 табл.) Объектом исследования являлись системы централизованного и локального водоотведения мо ракитинское |
| Реферат Отчет с. 22, рис., 3 табл Объектом исследования являлись системы централизованного водоснабжения мо г п. Одоев | | Реферат. Отчет…23с., рис., 4 табл Объектом исследования являлись системы централизованного и локального водоотведения мо кожинское |
 | Реферат Отчет 35 с., 3 главы, 16 рис., 1 табл., 12 источников, 5 прил Объектом разработки является программа восстановления каркасных 3D объектов по 2D проекциям | | Реферат Отчет 16 с., 1 ч., 8 рис., 0 табл Минералогия почв, палеопочвы, глинистые минералы, аллофаны, каолинит, галлуазит, органно-минеральные соединения |
| Реферат Пояснительная записка: с., рис., табл., приложений, источников.... Пояснительная записка: с., рис., табл., приложений, источников | | Реферат Пояснительная записка содержит: 90 стр., 53 рис., 26 табл., 12 источников информации Телефонная сеть, оборудование связи, программный комплекс, база данных, клиентское приложение, паспортно-отчетная документация |
| Реферат Объем: 119 стр., 16 рис., 7 табл., 7 использованных источников ... | | Реферат Отчет 50 с., 1 ч., 22 рис., 14 табл., 22 источн., 2 прил Переработка, зерно, ферменты, ресурсосбережение, безопасность, технологии, методы, хлебобулочные, макаронные, мучные кондитерские... |
| Реферат Отчет представлен на 51 с., состоит из 5 ч., 12 рис., 2 табл Ключевые слова: цианобактерии, прохлорофиты, инфузории, тройственный симбиоз, pbcv-вирус, выделение, очистка, культивирование, лскм,... | | Реферат Пояснительная записка 100 стр., 18 рис., 15 табл., 1 прил., 15библ ... |
| Отчет 119 с., 8 рис., 9 табл., 33 источника. Ключевые слова Научно-образовательный комплекс, научно-инновационный проект, инвестиционный проект, интеллектуальная собственность, инновационная... | | Реферат Тычинин И. А. Разработка приложения для портативных устройств... Тычинин И. А. Разработка приложения для портативных устройств с использованием qt framework, квалификационная работа на степень бакалавра... |
