Способ очистки отработавших газов и устройство для его осуществления - RU2078952C1

Чертежи

Описание

Изобретение касается способа очистки отработавших газов, в частности отработавших газов дизельных двигателей.

При очистке отработавших газов от аэрозолей, в частности от сажи, часто возникает проблема из-за того, что частички сажи откладываются на фильтре и сокращают его проницаемость, поэтому сажу время от времени надо выжигать. С этой целью при использовании традиционных фильтров к ним необходимо подводить соответствующие количества тепла, для чего требуются температуры порядка 600^oC. При работе с отработанными газами дизелей надо еще учитывать возможность добавления к топливу присадок, образующих в камере сгорания молекулярную окись железа (III), которая сбивает температуру сгорания сажи ниже 400^oC, благодаря чему тепла двигателя, т.е. тепла отработанных газов, достаточно для сжигания осевшей сажи. Однако эти присадки вызывают повышенный расход топлива, а окись железа (III) очень долго остается во взвешенном состоянии и возникает проблема в связи с ее влиянием на окружающую среду.

Известен фильтр для очистки газов, в котором сжигаемые частички должны окисляться посредством коронного разряда. Предполагается, что оседающие частички откладываются на одном из электродов, который выполнен в виде ловушки для частиц. При этом между электродами должен происходить интенсивный коронный разряд, при котором создается ионизированный кислород. В таком устройстве неизбежно возникает интенсивный искровой промежуток, который наряду с сильной нагрузкой материала приводит к увеличению расхода электроэнергии. Такие фильтры не пригодны для длительного использования в автомобилях [1]
Известно, что отработанные газы сначала ионизируют, а затем пропускают через канал в керамическом корпусе, где по существу поперек направления потока создается электрическое поле. При этом осевшие на стенках канала частички сажи сгорают при сравнительно высоких температурах. Такие температуры в некоторых случаях создавать трудно [2]
Другие известные устройства основаны на том принципе, что частички сажи после их соединения время от времени должны сжигаться посредством подвода соответствующего количества тела, или на том, что частички сажи спекаются посредством электрического поля, а потом отделяются в циклонном сепараторе и, наконец, смесь для сжигания подается в цилиндры двигателя внутреннего сгорания.

Известен также способ, согласно которому отработанные газы пропускают через пористый керамический корпус, который задерживает попавшие в него частицы. И хотя предусмотрены различные мероприятия для удаления или устранения частиц сажи, такие фильтры имеют неприемлемо высокое аэродинамическое сопротивление. В частности, в области неполной нагрузки это приводит к образованию отложений сажи, которые способствуют значительной потере давления. Такие решения предусматривают сотовые или ячеистые фильтры, которые состоят из продолговатых наложенных друг на друга фильтрующих ячеек, которые преимущественно имеют квадратное сечение и попеременно со стороны выхода и со стороны входа перекрыты заглушками. Фильтруемые отработанные газы могут пропускаться через образованную двумя такими фильтрующими ячейками стенку, причем аэрозоли не проходят через поры и оседают в той ячейке, которая открыта со стороны входа. Такой фильтр частично изготавливается из температуростойкого керамического материала и преимущественно покрыт или легирован каталитическими веществами, вследствие чего при избытке кислорода уже при температуре ниже 600^oC это приводит к сгоранию осевших частиц сажи. Поскольку такие температуры могут достигаться только в режиме полного газа, в промежуточных периодах создается существенное противодавление, которое недопустимым образом снижает мощность двигателя [3]
Недостаток известных решений заключается в том, что для сжигания осевшей сажи требуется расходовать очень большие количества тепла и при использовании циклонных сепараторов требуются существенные аппаратные затраты и повышенный расход энергии на эксплуатацию.

Задачей изобретения является устранение этих недостатков и разработка способа, который бы простейшим образом обеспечивал не только осаживание частиц сажи, но и полное их уничтожение, и чтобы при этом обеспечивался длительный срок службы при хорошей доступности для обслуживания.

Эта задача решается посредством способа, согласно которому отработавшие газы пропускают через канал керамического корпуса, а в этом канале по существу поперек направлению потока создают электрическое поле, при этом осевшие на стенках канала частички сажи окисляются свободными или осевшими на кислород электронами. В окислении могут участвовать также и положительные ионы, в частности при разряде переменного тока.

Существенным в изобретении является то, что в канале керамического тела возникает электронная корона или автоионизация. Искры в предлагаемом способе не возникают. Однако если в каком-то месте должно возникнуть искрение, то электрическое поле в его окружении сильно падает за счет высокого сопротивления керамического материала, так что искрение сразу затухает. Благодаря этому остигается очень низкий температурный предел для сжигания сажи, так что высокая эффективность очистки обеспечивается даже при частичной нагрузке.

В предпочтительном варианте способа частички сажи, содержащиеся в отработанном газе, до попадания в канал керамического корпуса заряжаются отрицательно при помощи разрядного электрода. Это облегчает оседание частичек сажи в канале керамического корпуса.

Целесообразно выбирать электрическое напряжение настолько высоким, чтобы в канале керамического корпуса посредством высокого электрического поля имел место разряд, а именно посредством испускания эмиссионных электронов на керамическую стенку. При этом достигается оптимальная рабочая точка фильтра.

Отработанные газы преимущественно пропускаются сначала через ионизационный канал, а затем через по крайней мере один осаждающий канал. Благодаря этому как для ионизации, так и для оседания создаются оптимальные условия.

Особенно благоприятным исполнением является такое, когда как ионизационный канал, так и осаждающие каналы в виде открытых в обе стороны каналов располагаются в отдельном керамическом корпусе. Благодаря этому возможно исполнение, особенно экономящее площадь.

Разность потенциалов электрического поля может составлять от 3 до 30 кВ, преимущественно от 5 до 20 кВ. Напряженность электрического поля должна составлять от 100 до 1000 В/мм, преимущественно от 200 до 500 В/мм. Этим достигается оптимальная доля отделения.

Согласно варианту предлагаемого способа катализатор в воздухонесущей форме может периодически вводиться в поток отработавшего газа. Долговременная эффективность предлагаемого фильтра может быть существенно улучшена за счет того, что катализатор в воздухонесущей форме периодически вводится в поток отработавшего газа. В простейшем случае это может осуществляться в рабочем порядке путем использования резервуара, из которого управляемым образом примерно через каждые 50 часов работы двигателя выводят определенное количество катализатора в виде аэрозоля. Во время ввода катализатора полярность электрического поля преимущественно меняется.

Преимущественно катализатор вводят тогда, когда температура потока отработавшего газа за время t становится меньше A^oC, при этом t находится между 20 и 60 мин, а A менее 500^oC, преимущественно менее 300^oC. Только после длительной работы при низких температурах может потребоваться обновление слоя катализатора. Посредством зависящего от температуры регулирования можно добиться оптимальной величины сепарации при небольших количествах добавок катализатора. Хорошо, когда полярность электродов с целью очистки время от времени меняет знак. После длительной эксплуатации может иметь место вредное отложение сажи на стороне отрицательного электрода. Посредством кратковременного подвода положительного заряда он бомбардируется отрицательными частицами и тем самым очищается.

Изобретение, кроме того, касается устройства для очистки отработанных газов, в частности отработанных газов дизельных двигателей, содержащего керамический корпус хотя бы с одним каналом, через который пропускают отработанные газы, электроды для создания электрического поля, пронизывающего керамический корпус и ориентированного поперек оси канала. Это устройство отличается тем, что критерий E, учитывающий геометрию сечения канала и удельное электрическое сопротивление материала керамического корпуса и отвечающий соотношению

,
составляет минимум 10⁷ Ом, преимущественно не менее 10⁸ Ом. P представляет здесь удельное электрическое сопротивление керамического материала при 600^oC, в Ом/см, β геометрический формфактор, а d - ширина или, соответственно, толщина стенки, разделяющей канал, в см. Геометрический формфактор b определяется из следующего соотношения:
,
где 1 средняя длина образованной в керамическом материале линии тока между электродами, а x расстояние между электродами. При параллельных, с точки зрения сопротивления, включенных плечах стенок, разделяющих каналы, в качестве d следует использовать сумму ширины. Таким образом, критерий E это электрическое сопротивление, отнесенное к линейному размеру и межэлектродному расстоянию.

Таким образом, выявляются линии тока соответствующей длины для токов, образуемых на основе конечного электрического сопротивления материала керамического корпуса, при этом такая структура характеризуется очень хорошей механической прочностью. Кроме того, обеспечено, что геометрическая форма сечения канала керамического корпуса, изготовленного преимущественно в виде монолита, и параметры материала керамического корпуса согласованы друг с другом, при этом за счет выдерживания заданного нижнего предела критерия при напряженности электрического поля порядка 10 кВ/см обеспечиваются достаточной коронный разряд и/или автоионизация, чтобы гарантировать сгорание осевшей сажи в диапазоне от 200 до 500^oC. Но равным образом керамический корпус можно составлять из нескольких частей.

С увеличением критерия сокращается необходимая для сжигания сажи температура, которая может быть ниже 150^oC, при этом если критерий составляет около 4•10⁸, то напряженность поля может упасть до 5 кВ/см, вследствие чего сокращается энергия, потребляемая фильтром.

За счет выполнения как можно более низких каналов в последних создаются очень высокие напряженности поля, при которых имеют место интенсивные зарядные короны и, следовательно, образование ионов O^- и O Вместе с тем такое керамическое тело имеет очень высокое сопротивление, благодаря чему фильтр потребляет лишь совсем немного энергии.

Согласно одному из признаков изобретения, может быть предусмотрено, что стенки, расположенные между рядами каналов, граничащими друг с другом в направлении поля, проходят по зигзагу, причем участки стенок, отстоящие друг от друга в направлении поля и взаимно противоположно ограничивающие каждый канал, встречно наклонены относительно плоскости, расположенной перпендикулярно направлению поля, или плоскости цилиндра.

Этим достигается увеличение длины линии тока, при этом в случае исполнения сечения каналов таким образом, что в середине каждого канала оно имеет наибольшую высоту в направлении поля, создается электрическое поле, по существу равномерное по ширине канала. Для этого лишь необходимо выбирать наклон стенок, разделяющих соседние ряды каналов, относительно плоскости, расположенной перпендикулярно направлению поля, в соответствии с параметрами материала. Но в любом случае распределение поля по ширине каналов сравнивается с прямоугольными по сечению каналами, так что по всему сечению может быть обеспечена автоионизация. При исполнении сечения каналов таким образом, что они имеют свою наименьшую высоту, в этой области создается особенно интенсивное поле, которое, однако, резко снижается напротив боковых краевых зон канала. Это благоприятно сказывается на образовании зарядной короны, правда, по существу ограниченном средней областью канала.

Можно, кроме того, предусмотреть, что стенки керамического корпуса, которые определяют высоту каналов, измеряемые в направлении поля, участками проходят под углами к направлению поля. За счет этого можно добиться существенного удлинения линии тока и, следовательно, повышения сопротивления керамического корпуса. Такое повышение сопротивления керамического корпуса обеспечивает также использование этого фильтра при повышенных температурах без существенного увеличения энергии, потребляемой фильтром. При этом можно предусмотреть исполнение стенок, определяющих высоту каналов, в форме меандра или исполнять их по существу в виде змеевиков.

Можно также предусмотреть, чтобы стенки, определяющие высоту каналов, измеренную в направлении поля, участками проходили по существу перпендикулярно к нему, благодаря чему образуется очень длинный путь линии тока, в частности, когда каналы в рядах, граничащих друг с другом, в направлении поля, располагаются со смещением друг относительно друга.

Согласно еще одному признаку изобретения, можно предусмотреть, чтобы шероховатость поверхности внутренних стенок каналов была не менее 1 мкм, преимущественно более 2 мкм. Сравнительно шершавая поверхность внутренних стенок каналов способствует коронным разрядам и, следовательно, улучшает образование ионов O и O^-.

В устройстве для реализации предлагаемого способа, содержащем фильтр для отделения аэрозолей, согласно еще одному признаку изобретения, может быть предусмотрено, что приспособление для транспортировки осаждаемой сажи в область одного из разрядных электродов, имеющих отрицательный потенциал, располагается в полости, оснащенной подводом воздуха. Этим обеспечивается то, что осаждаемая сажа попадает в область разрядных электродов и, следовательно, возникающих там радикалов и сгорает в этой области уже при пониженной температуре, например при 150^oC.

Причем может быть предусмотрено также, что приспособление для транспортировки осевой сажи осуществлено на основе подвижного предусмотренного поворотного фильтра из волоконного материала. Этим достигается очень простая конструкция приспособления.

Можно также предусмотреть, чтобы приспособление для транспортировки осевшей сажи выполнялось в виде вентилятора, захватывающего частицы осевой сажи.

В еще одном варианте устройства для реализации предлагаемого способа можно предусмотреть, что параллельно направлению потока и по существу взаимопараллельно располагаются электроды высокого напряжения, которые прилегают к расположенному между ними керамическому корпусу с открытыми в обе стороны каналами, проходящими вдоль него, и, если смотреть в сечении керамического корпуса, длина стенок канала между двумя обращенными друг от друга соединительными точками стенок, определяющих высоту канала в направлении электрического поля, созданного высоковольтными электродами, с остальными ограничивающими этот же канал стенками больше, чем нормальное расстояние между этими соединительными точками, измеренное в направлении поля, причем напряженность электрического поля при комнатной температуре составляет порядка 10-20 кВ/см.

Этим добиваются автоионизации проходящих отработанных газов в отдельных каналах, причем из содержащегося в отработанном газе кислорода образуются O и O^- радикалы и одновременно происходит отложение сажи. Однако эта осевая сажа за счет радикалов сгорает уже при температурах порядка 100 и 300^oC. Чтобы ускорить оседание аэрозолей, в частности сажи, можно перед устройством для электростатического осаждения по ходу электрического тока включать разрядный электрод, служащий для зарядки аэрозолей, например сажи.

На фиг. 1 изображено схематически устройство очистки отработанных газов, на фиг. 2 поперечное сечение устройства, обеспечивающего образование радикалов посредством автоионизации, на фиг. 3 и 4 то же, что и на фиг. 2, различные варианты исполнения керамического корпуса для предлагаемого фильтра, на фиг. 5a d различные примеры исполнения стенок, определяющих высоту каналов.

В представленном на фиг. 1 варианте исполнения предусмотрено, что фильтр отработанных газов по существу состоит из цилиндрического корпуса 4, закрытого с торцев крышками 32 и 33. Внутри располагается круглый по сечению керамический сотовый корпус 36. Этот керамический сотовый корпус 36 также собран из нескольких круговых кольцевых сегментов. В центре сотового корпуса 36 размещается ионизационный канал 37. В этот ионизационный канал 37 вставлен электрод 2, который составлен из множества коронных электродов 2'.

Очищаемый газ по установленному в крышке 32 патрубку 5 проходит в фильтр. В удлинении патрубка 5 предусмотрена керамическая трубка 41, которая с одного конца имеет уплотнение 42 относительно крышки 32. Другим концом трубка 41 соединена с ионизационным каналом 37 сотового корпуса 36. В конце ионизационного канала 37 отработанные газы разворачиваются и проходят через осаждающие каналы 36a.

Электрод 2 удерживается состоящим из частей 3a, 3b и 3c высоковольтным проходным изолятором 3, который служит для изоляции подводящих высокое напряжение элементов от заземленного корпуса 4 вместе с крышкой 33. С наружной стороны керамический корпус 36 оснащен термоизоляционным слоем 45, который, однако, обеспечивает электрический контакт, а также служит для опирания на корпус 4. Очищенные отработанные газы покидают фильтр через патрубок 6, расположенный на периферии корпуса 1.

Как видно из фиг. 2, керамический корпус 36 имеет сотовую структуру, при этом граничащие друг с другом в направлении 102 поля ряды каналов 36a расположены со взаимным смещением. Точки 104 соединения стенок 105, проходящих в направлении 102 поля, с другими ограничивающими канал 36a стенками 106, которые идут в варианте исполнения согласно фиг. 2 перпендикулярно направлению 102 поля, одновременно представляют собой присоединительные точки для окружающей канал 36a линии тока. Геометрическая длина L этой линии тока, которая образуется на базе конечного электрического сопротивления материала керамического корпуса 1 и напряжения, приложенного к непоказанным высоковольтным электродам, отвечает следующему соотношению:
L 2 b + x.

При этом согласно варианту исполнения по фиг. 5 размер x равен нормальному расстоянию в направлении 102 поля двух точек 104 соединения стенок 105, определяющих высоту каналов 36a в направлении 102 поля, с двумя стенками 106, ограничивающим каналы 36a. в дальнейшем под "линией тока" будет всегда пониматься ее геометрическая длина.

Таким образом, в варианте исполнения согласно фиг. 5 получается, что длина стенок 106, 105 между соединенными точками 104 сечения канала 36a больше, чем нормальное расстояние между этими точками 104, замеренное в направлении 102 поля. В соответствии с геометрией сечения керамического корпуса 36 согласно фиг. 5 формфактор β определяется формулой

и, следовательно, в этом случае больше 1. При этом можно создать проемы с отношением ширины, измеренной в направлении перпендикулярно направлению поля, к высоте, измеряемой в направлении поля, от 3:1 до 10:1, причем с ростом по отношению сопротивления керамического корпуса при прочих равных критериях, в частности, толщины d стенки, растет.

Благодаря отрицательному коронирующему электроду или при достаточной напряженности поля обеспеченной отрицательно заряженной коронирующей шероховатой поверхности стенки, разность потенциалов между коронирующим электродом и противоположно заряженным электродом при комнатной температуре на 1 см межэлектронного состояния в первом случае составляет 1-3 кВ и во втором случае разность потенциалов между противоположными стенками составляет на 1 см от 4 до 8 кВ. Если противоположные стенки являются очень гладкими, то при комнатной температуре вместо отрицательной короны возникает автоионизация газа при напряженности поля между 10 и 20 кВ/см, а при температурах более высоких уже при 5-10 кВ/см.

Вариант исполнения согласно фиг. 3 тем отличается от исполнения согласно фиг. 2, что стенки 106', 106'', 106''', 106^IV, разделяющие ряды каналов 36a друг от друга, проходят зигзагами, причем противоположные друг другу и отделенные друг от друга в направлении поля стенки 106^I, 106^II, 106^III, 106^iV одного канала 36a размещаются наклонно к плоскости, расположенной перпендикулярно направлению 102 поля. В этом варианте исполнения по сравнению с вариантом исполнения согласно фиг. 2 выявляется большее удлинение линии тока, а формфактор β рассчитывается по формуле

где a > x.

В этом варианте исполнения в средней зоне сечения канала 36a создается высокая напряженность поля, которая, однако, очень неоднородно распределяется по ширине канала 36a. Это приводит в средней зоне сечения канала 36a уже при сравнительно малых напряженностях поля в керамическом корпусе порядка 5 кВ/см к зарядным коронам и, следовательно, к образованию O^- и O ионов, которые обеспечивают сгорание отложенной на фильтре сажи при сравнительно низких температурах от 300^oC и ниже.

Представленный на фиг. 4 вариант исполнения отличается от представленного на фиг. 3 только тем, что стенка 105, проходящая в направлении 102 поля, короче нормального расстояния x между соединительными точками 104.

Этим достигается относительно варианта исполнения согласно фиг. 3 при прочих одинаковых размерах хотя и меньший геометрический формфактор β, однако внутри каждого канала 36a создается достаточно равномерное электрическое поле. По существу это зависит от выбора угла, который составляет стенки 106^I, 106^II, 106^III, 106^IV с плоскостью, расположенной перпендикулярно направлению 102 поля, и от удельного сопротивления материала керамического корпуса 36.

Представленные на фиг. 5a d варианты по существу направлены на удлинение линии тока за счет изменения конфигурации стенки, определяющей высоту канала 36a, под углом к направлению 102 поля.

На фиг. 5а представлены два варианта исполнения стенки, определяющей расстояние перпендикулярно направлению поля. При этом стенка 51 проходит по существу в виде змеевика и поэтому имеет участок, проходящий перпендикулярно направлению 102 поля, что можно легко видеть.

Напротив, стенка 52 осажена и имеет среднюю часть, проходящую перпендикулярно направлению 102 поля.

В обоих вариантах исполнения длины стенок 51, 52, очевидные из их сечений, выбираются исходя из расчета формфактора.

В варианте исполнения согласно фиг. 5b стенка 53 участками разделена на два параллельных рукава 53', 53''. При этом длина а стенки 53, вовлекаемая в расчете формфактора b, определяется по формуле

.

Предполагается при этом, что различные участки стенки 53 имеют одинаковую толщину D, а участки стенки 53^IV, простирающиеся с обеих сторон участка 53^III, имеют одинаковую длину.

На фиг. 5c показана также стенка 55, участок которой разделен на две параллельные ветви 553, 554, а с этим участком в последовательном соединении находятся два упругих участка 551, 552.

У одной из таких стенок 55 длина a, используемая в формуле для формфактора β, рассчитывается по соотношению:

.

При этом предполагается, что стенки имеют одинаковую толщину d, а части 551, 552 стенки располагаются симметрично частям 553, 555 стенки. В противном случае надо было бы суммировать обратные величины обратных величин длин, создающихся между точками соединения частей 551, 552 стенки с частями 553, 555 стенки на обоих путях, и из этой величины рассчитать приведенную длину участка, расположенного между частями 551, 552 стенки, по аналогии с определением приведенного сопротивления параллельно включенных сопротивлений, к которой затем прибавляются длины j и k для выявления общей длины a линии тока.

В стенках 54 и 56, по существу проходящих в виде линий змеевика, так же как и в стенках 52 и 51, согласно фиг. 5a, в расчете формфактора β используется средняя длина этих стенок.

Это имеет силу и относительно стенок 57 и 58, согласно фиг. 5d, причем последняя стенка имеет форму меандра.

Для достижения достаточной автоионизации или зарядной короны внутри канала имеет значение и сопротивление линии тока, образующейся в керамическом корпусе 36.

Чтобы обеспечить при сравнительно малом потреблении энергии в достаточной степени осаждение и выгорание частиц сажи из потока отработанных газов, параметр E, получающийся из следующей формулы

,
должен составлять не менее 10⁷, а преимущественно не менее 10⁸, причем P это удельное электрическое сопротивление керамического материала при 600^oC, в см, β геометрический формфактор, а d ширина или, соответственно, толщина разделяющей канал (36a) стенки, в см, при этом геометрический формфактор b выявляется из следующего соотношения:
,
где l длина образованной за счет приложенного к высоковольтным электродам напряжения и конечного удельного сопротивления керамического материала линии тока между двумя обращенными друг от друга точками соединения 104, 104' стенок канала 36a, определяющих высоту канала в направлении 102 поля, с прочими стенками 106, ограничивающими сам канал, простирающимися преимущественно перпендикулярно направлению поля, при этом у выполненных в виде участков стенок 53, 55, разделенных на несколько рукавов 53, 53', 553, 554, эти рукава, представляющие с точки зрения сопротивления параллельное включение, надо учитывать по их сопротивлениям и использовать с длиной прочих стенок, соответствующей приведенному сопротивлению рукава, а x это измеренное в направлении 102 поля нормальное расстояние между этими соединительными точками 104'.

Реферат

Использование: двигателестроение, устройства для очистки отработавших газов. Сущность изобретения: способ и устройство для очистки отработавших газов, в частности отработавших газов дизельных двигателей, когда отработавшие газы пропускают через канал (36a) керамического корпуса (36), в этом канале (36a) по существу поперек направления потока создают электрическое поле, при этом осевшие на стенках (36a) частицы сажи окисляются свободными осевшими на кислород ионами. При этом выбирают напряженность электрического поля в заданных пределах с учетом геометрии сечения каналов для прохода отработавших газов. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула