Способ снижения вредных выбросов с отработавшими газами тепловых двигателей транспортных средств, эксплуатируемых в условиях ограниченных объемов

Изобретение относится к тепловым двигателям (ТД) транспортных средств (ТС) и специальной техники, работающим на жидком углеводородном топливе, и может быть использовано для уменьшения содержания токсичных компонентов в их отработавших газах (ОГ) до предельно допустимых концентраций в соответствии с требованиями санитарных норм при работе в условиях ограниченных объемов, например в выработках при подземной добыче полезных ископаемых, в теплицах при производстве работ по уходу за растениями, в метрополитене при производстве ремонтных работ с использованием спецтехники. Для снижения вредных выбросов (ВВ) с ОГ ТД реализуют комплекс мероприятий воздействия как на процесс сгорания топлива в цилиндрах двигателя, так и на состав ОГ, удаляемых в атмосферу, а именно добавку экологической присадки в топливо, например смесь ацетилацетоната железа (10-90% весовых) и ферроцена (остальное), контактную очистку и охлаждение ОГ водными растворами гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов, рециркуляцию части охлажденных и очищенных ОГ на впуск двигателя с предварительным их обогащением кислородом путем контакта с твердым кислородоносителем и удалением оставшегося количества ОГ в атмосферу. При этом степень рециркуляции отработавших газов устанавливают в зависимости от нагрузки на ТД, ограничивая поступление воздуха во впускную систему. Применение предлагаемого способа при осуществлении мероприятий в описанной последовательности позволяет снизить концентрации ВВ в атмосферном воздухе до уровня предельно допустимых в соответствии с требованиями санитарных норм. 1 ил.

 

Изобретение относится к тепловым двигателям (ТД) транспортных средств (ТС) и специальной техники, работающим на жидком углеводородном топливе, и может быть использовано для уменьшения содержания токсичных компонентов в их отработавших газах (ОГ) до предельно допустимых концентраций в соответствии с требованиями санитарных норм при работе в условиях ограниченных объемов, например в выработках при подземной добыче полезных ископаемых, в теплицах при производстве работ по уходу за растениями, в метрополитене при производстве ремонтных работ с использованием спецтехники.

Известен способ снижения содержания вредных выбросов с ОГ ТД, описанный в [1]. По этому способу ОГ вводят в контакт с раствором щелочи (рН 7,5-8,0), диспергированным в потоке ОГ в виде капель, а затем полученную смесь диспергируют в объеме водного раствора щелочи с регулируемыми концентрацией активного компонента-поглотителя, уровнем и температурой раствора с образованием пены, в результате чего происходит охлаждение ОГ и очистка их от твердых и газообразных вредных веществ. Данный способ позволяет на 35-90% (в зависимости от вида вредного вещества) сократить количество вредных выбросов с ОГ, удаляемыми в атмосферу, без воздействия на рабочий процесс двигателя. Основным недостатком способа являются повышенные габариты системы устройств для его реализации вследствие необходимости создания на ТС запасов концентрированной щелочи и воды для компенсации их расхода в результате химического связывания и испарения.

В [2] описаны способы снижения токсичности ОГ за счет воздействия на рабочий процесс двигателя путем:

- рециркуляции части ОГ с выпуска на впуск двигателя;

- предварительной подготовки топлива к сжиганию введением в его состав экологических присадок в концентрациях 0,01...0,025% по массе.

Известно, что рециркуляцию применяют для борьбы с оксидами азота, а основным ее недостатком является увеличение выброса дисперсных частиц (в основном сажи) и оксида углерода (СО) в результате уменьшения концентрации кислорода в свежем заряде, а введение в состав топлива присадок, обеспечивая снижение выбросов оксидов азота и сажи, незначительно влияет на снижение выброса других токсичных компонентов (углеводородов, альдегидов и т.д.). Как правило, эти способы применяются раздельно и задачу снижения токсичности ОГ решают не в полной мере. Анализ показывает, что для достижения приемлемых результатов необходим комплексный подход к проблеме снижения вредных выбросов, объединяющий как мероприятия по оптимизации процессов сгорания топлива, так и мероприятия по очистке удаляемых в атмосферу ОГ от содержащихся в них токсичных компонентов.

Известен способ снижения вредных выбросов с отработавшими газами тепловых двигателей, описанный в [3] и являющийся наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, в соответствии с которым в топливо перед его сжиганием вводят присадку, причем в качестве присадки к топливу используют смесь ацетилацетоната железа (10-90 вес.%) и ферроцена (остальное). Недостатком способа является невозможность достижения содержания токсичных компонентов в ОГ, соответствующего требованиям санитарных норм.

Задача, стоящая перед предлагаемым изобретением, состоит в уменьшении содержания твердых и газообразных токсичных компонентов в ОГ теплового двигателя ТС до уровня предельно допустимых концентраций (ПДК) в атмосферном воздухе.

Решение задачи предполагается путем реализации комплекса мероприятий воздействия как на процесс сгорания топлива в цилиндрах двигателя, так и на состав ОГ, удаляемых в атмосферу, за счет реализации наряду с добавкой экологической присадки к топливу, например смеси ацетилацетоната железа (10-90% весовых) и ферроцена (остальное), контактной очистки и охлаждения ОГ водным раствором абсорбента на основе гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов, например NAOH или КОН, и рециркуляции части охлажденных ОГ на впуск двигателя с предварительным их обогащением кислородом, получаемым путем контакта ОГ с твердым кислородоносителем на основе надперекисей щелочных или щелочноземельных металлов, и удалением оставшегося количества ОГ в атмосферу. При этом степень рециркуляции отработавших газов устанавливают в зависимости от нагрузки на ТД, ограничивая поступление воздуха во впускную систему.

Новым в заявляемом изобретении является комплексная реализация операций снижения содержания вредных веществ в удаляемых в атмосферу ОГ двигателей ТС (добавки экологической присадки к топливу, контактной очистки и охлаждения ОГ водным раствором абсорбента, рециркуляции части охлажденных ОГ на впуск двигателя с предварительным их обогащением кислородом путем контакта с твердым кислородоносителем и удалением оставшегося количества ОГ в атмосферу), выполняемых в последовательности, не использованной ранее в данной области техники.

Указанные новые признаки не выявлены из существующего уровня развития техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

Предлагаемый способ может быть реализован в устройстве, схема которого представлена на чертеже.

Устройство содержит двигатель 1 с системами впуска и выпуска, бак запаса присадки 2 и расходный топливный бак 3, подключенные к всасывающему патрубку топливоподкачивающего насоса 4, причем бак запаса присадки 2 подключен через устройство дозирования 5, а нагнетательный патрубок насоса 4 подключен к штатной топливной системе двигателя 1. В выпускной системе двигателя 1 установлены контактный жидкостный охладитель-нейтрализатор 6 (КОН) и реактор-нейтрализатор ОГ (РНГ) 7, в котором для очистки ОГ от газообразных вредных веществ и обогащения их кислородом используется твердый кислородоноситель. КОН 6 своим входом через запорное устройство 8 подключен к двигателю 1, а выходом через запорные устройства 9 и 10 - к входу РНГ 7. Выход РНГ 7 через запорные устройства 11 и 12 сообщен с впускной системой двигателя 1 и атмосферой соответственно. Кроме того, выпускная система до запорного устройства 8 сообщена с атмосферой через запорные устройства 13 и 14, при этом участки трубопроводов между запорными устройствами 9-10 и 13-14 сообщены между собой.

Способ осуществляют следующим образом. Топливо из бака 3 после дозированного введения в него экологической присадки посредством устройства дозирования 5 насосом 4 направляют в штатную топливную систему двигателя 1, которая осуществляет подачу полученной смеси топлива и присадки в цилиндры двигателя в количестве, соответствующем нагрузке двигателя. В процессе сгорания смеси содержащиеся в присадке соединения разлагаются на промежуточные радикалы, имеющие меньшую энергию активации и, соответственно, воспламеняющиеся при более низкой температуре, что способствует снижению температуры горения топлива и снижению интенсивности образования окислов азота (NO_x), сажи (С) и оксида углерода (СО). Далее ОГ, образовавшиеся в процессе сгорания смеси топлива с присадкой, через открытый запорный орган 8 (при закрытом запорном органе 13) подают в КОН 6, где в результате контакта с водным раствором хладагента-абсорбента, в качестве которого может быть использована как природная вода, содержащая ионы кальция и магния и гидроксильные группы, так и водные растворы со щелочной реакцией, происходит их охлаждение и очистка на 30-40% от NO_x, а также на 80-95% от сажи, бенз(α)пирена, оксидов серы, несгоревших углеводородов и альдегидов. Подвергшиеся контактной обработке ОГ через открытые запорные органы 9, 10 и 14 направляют частично в атмосферу, а частично в РНГ 7. В РНГ охлажденные, увлажненные и очищенные ОГ вводят в контакт с твердым кислородоносителем, например надперекисью калия (КаО₂), в результате чего по реакциям:

CO₂+2КаO₂=Ка₂СО₃+1¹/₂О₂;

Н₂O+2КаO₂=2КаОН+1¹/₂O₂

выделяется кислород, который смешивается с компонентами ОГ (азотом, неиспользованным кислородом, углеродом, оксидом и диоксидом углерода, диоксидом азота). Полученную смесь через открытый запорный орган 11 при закрытом 12 направляют во впускную систему двигателя 1, где она смешивается с забираемым из атмосферы воздухом и используется для сжигания смеси топлива с присадкой в цилиндрах двигателя.

Увеличение выбросов СО, С и СН, падение мощности и снижение топливной экономичности двигателя из-за снижения концентрации кислорода в свежем заряде, присущее рециркуляции ОГ как способу снижения содержания выбросов ВВ, предотвращается за счет обогащения перепускаемой части ОГ кислородом, а снижение уровня температур в цилиндрах двигателя при сгорании топлива обеспечивается за счет присадки к топливу и охлаждения перепускаемой части ОГ. Степень рециркуляции ОГ устанавливают в зависимости от нагрузки на ТД, ограничивая поступление воздуха во впускную систему.

Таким образом, при комплексной реализации операций по приведенному в описании алгоритму достигают снижения концентрации вредных выбросов в ОГ двигателей ТС до предельно допустимых в соответствии с требованиями санитарных норм, что является подтверждением решения поставленной задачи и позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость».

Библиография

1. Патент РФ №2027464 «Система очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания», опубл. 27.01.1995 г.

2. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей. - М.: ООО «Академический проспект», 2004., 400 с.

3. Патент РФ №2151168, МПК С10L 1/18 «Экологическая присадка к дизельному топливу», опубл. в 2000 г.

Способ снижения вредных выбросов с отработавшими газами тепловых двигателей транспортных средств, эксплуатируемых в условиях ограниченных объемов, заключающийся в том, что в топливо перед его сжиганием вводят присадку, причем в качестве присадки к топливу используют смесь ацетилацетоната железа (10-90 вес.%) и ферроцена (остальное), отличающийся тем, что весь объем отработавших газов, образовавшихся в процессе сгорания смеси топлива с присадкой, подвергают контактной обработке водным раствором абсорбента на основе гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов, часть обработанных отработавших газов направляют во впускную систему двигателя с предварительным их обогащением кислородом за счет контакта с твердым кислородоносителем на основе надперекисей щелочных или щелочноземельных металлов, а оставшуюся часть отработавших газов удаляют в атмосферу, при этом степень рециркуляции отработавших газов устанавливают в зависимости от нагрузки на тепловой двигатель, ограничивая поступление воздуха во впускную систему двигателя.