Повышение эффективности систем очистки отработавших газов судовых дизелей применением металлокерамических фильтров Медведев Геннадий Валериевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Проблемы потери работоспособности каталитических нейтрализаторов отработавших газов поршневых дизельных двигателей внутреннего сгорания. цели и задачи исследования

1.1 Состояние проблемы снижения вредных выбросов дизелей судов, с использованием каталитических нейтрализаторов 13

1.2 Выявление причин отказов каталитических нейтрализаторов 34

1.3 Тепловая напряженность элементов нейтрализаторов и пути ее снижения 39

1.4 Упругая деформация элементов нейтрализаторов и пути ее снижения 43

1.5 Гидродинамические и каталитические процессы в каталитических нейтрализаторах 48

1.6 Выводы по главе

Цели и задачи исследования 57

ГЛАВА 2 Моделирование теплофизических процессов в каталитических блоках нейтрализаторов

2.1 Причины возникновения тепловой напряженности в пористом каталитическом СВС-материале 59

2.2 Тепловая напряженность каталитических блоков с учетом режимов работы двигателя 66

2.3 Критерии теплового разрушения каталитических материалов с учетом их состава 70

2.4 Математическое моделирование показателей теплофизических процессов в пористых каталитических СВС-блоках 74

2.5 Выводы по главе 2 83

ГЛАВА 3 Моделирование поведения каталитических фильтров нейтрализаторов под воздействием вибраций

3.1 Вибрационные процессы в многомассовой системе, включающей дизель - нейтрализатор - каталитический фильтр 85

3.2 Критерии вибронагруженности каталитических фильтров нейтрализаторов 93

3.3 Математическая модель поведения каталитических фильтров под воздействием вибраций 101

3.4. Выводы по главе 3 114

ГЛАВА 4 Гидродинамические и каталитические процессы в нейтрализаторах для судовых дизелей

4.1 Особенности процессов каталитической очистки в пористых проницаемых блоках нейтрализаторов 115

4.2 Влияние характеристик материалов каталитических блоков на их гидравлические характеристики 121

4.3 Влияние колебаний отработавших газов в системе выпуска на гидравлические характеристики системы выпуска 126

4.4 Математическая модель процессов каталитической очистки отработавших газов судовых дизелей в трехступенчатом каталитическом нейтрализаторе 130

4.5 Выводы по главе 4 153

ГЛАВА 5 Экспериментальные установки. методики обработки экспериментальных данных

5.1 Общее устройства каталитического нейтрализатора с пористыми проницаемыми СВС-блоками 154

5.2 Моторная установка для определения теплофизических параметров каталитических блоков 158

5.3 Моторная установка для определения вибрационных параметров каталитических СВС-блоков нейтрализаторов 169 5.4 Моторная установка для определения гидродинамических свойств СВС-каталитических блоков нейтрализаторов 175

5.5 Методики обработки данных и оценки погрешностей эксперимента 183

5.6 Разработка многоступенчатого каталитического нейтрализатора отработавших газов для судового дизеля 189

5.7 Установка для испытаний кассетного нейтрализатора отработавших газов двигателя внутреннего сгорания 196

5.8 Выводы по главе 5 199

ГЛАВА 6 Результаты экспериментальных исследований

6.1 Определение параметров теплофизических процессов в СВС-материалах каталитических нейтрализаторов 200

6.2 Определение параметров вибрационных процессов СВС- каталитических блоков нейтрализаторов 237

6.3 Определение параметров гидродинамических и каталитических процессов в каталитических нейтрализаторах на основе СВС-материалов 271

6.4 Установление адекватности результатов моделирования процессов в каталитических СВС-материалах фильтров нейтрализаторов 281

6.5 Выводы по главе 6 284

Заключение 287

Список сокращений и условных обозначений 290

Список литературы .

• Упругая деформация элементов нейтрализаторов и пути ее снижения
• Критерии теплового разрушения каталитических материалов с учетом их состава
• Критерии вибронагруженности каталитических фильтров нейтрализаторов
• Влияние колебаний отработавших газов в системе выпуска на гидравлические характеристики системы выпуска

Введение к работе

Актуальность работы. В настоящее время основу судовой энергетики составляют двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия-дизели.

Дизели являются источником интенсивного загрязнения атмосферного воздуха. В общем балансе вредных выбросов с отработавшими газами (ОГ) двигателей различного назначения на долю морского и речного транспорта приходится 4,1 %, в составе которых до 3,4 % общих выбросов приходится на оксид углерода (СО), до 6,4 % оксидов азота (NO_x) и до 0,3 % твердых частиц (ТЧ).

Приняв в 1999 г Федеральный закон (статья № 2222) «Об охране атмосферного воздуха», наша страна обязуется выполнять требования действующих в этой области международных стандартов. В 2016 г. введены в действие новые нормы IMO TIER III, согласно которым снижение вредных выбросов в регулируемых зонах (ECA) должно быть сокращено в сравнении с нормами 2011 г. более чем в 3 раза. Выполнение новых норм в направлениях дальнейшего совершенствования рабочего процесса, применения альтернативных топлив, присадок к топливу и воздуху, а также систем селективного каталитического восстановления (SCR) не исключает дальнейшего развития научных исследований в области каталитической очистки отработавших газов.

Одним из наиболее эффективных материалов, предназначенных для изготовления каталитических фильтров-нейтрализаторов, являются материалы, получаемые на основе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Они обладают высокой пористостью, проницаемостью, удельной поверхностью, а также высокими значениями механической прочности, ударной вязкости и вибрационной стойкостью при высоких температурах. Технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза имеет целый ряд преимуществ перед другими технологиями. Это низкая стоимость, безотходность, малая энергоёмкость, возможность использования отходов машиностроительных производств и металлургии, возможность обеспечения заданных свойств. Исторические аспекты каталитической очистки отработавших газов дизелей в пористых проницаемых каталитических СВС-материалах заложены в трудах научной школы А.Л. Новоселова и А.А. Ситникова.

Поэтому научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области создания новых материалов с использованием СВС-технологий, а также разработка новых конструкций фильтров-нейтрализаторов, предназначенных для очистки отработавших газов судовых дизелей, являются актуальными.

Целью работы является повышение эффективности систем очистки отработавших газов судовых дизелей посредством применения каталитических металлокерамических фильтров из СВС-материалов.

Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:

1. Разработать теоретические основы и математическую модель процесса очистки отработавших газов судовых дизелей в многоступенчатых каталитических фильтрах-нейтрализаторах, состоящих из блоков фильтрации, окисления и восстановления;

2. Выполнить теоретические исследования кинетических процессов и процесса очистки отработавших газов в проницаемых фильтрах, изготовленных из СВС-материалов;

3. Исследовать эксплуатационные характеристики фильтрующих элементов в зависимости от состава шихты и технологии изготовления;

4. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования причин и закономерностей, приводящих к механическому разрушению фильтров, изготовленных из СВС-материалов в условиях эксплуатации;

5. Разработать основных требования к СВС-материалам и к конструкции металлокерамических катализаторов;

6. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработать новую конструкцию металлокерамического фильтра-нейтрализатора;

7. Создание специального моторного стенда для исследования характеристик СВС-материалов и различных конструкций кассетных многоступенчатых фильтров-нейтрализаторов;

8. Провести стендовые испытания работоспособности конструкции каталитического металлокерамического фильтра и исследовать его теплофизи-ческие, гидродинамические и вибрационные характеристики;

9. Разработать методы повышения эффективности очистки отработавших газов судовых дизелей в металлокерамических фильтрах.

Большую помощь и поддержку при выполнении исследований оказал научный консультант Новоселов Александр Леонидович .

Объектом исследования являются пористые проницаемые металлоке-рамические фильтры, полученные с использованием технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, предназначенные для очистки и нейтрализации вредных веществ, содержащихся в отработавших газах судовых дизелей.

Предметом исследования являются физические и химические процессы, происходящие в пористых проницаемых металлокерамических фильтрах в условиях эксплуатации.

Методы исследования: В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические методы базировались на основных, фундаментальных положениях классической механики, термодинамики, газодинамики и химической кинетики. Экспериментальные исследования металлокерамического фильтра- нейтрализатора и его элементов проводились на специальном моторном стенде с применением современной измерительно-регистрирующей аппаратуры. Достоверность полученных ре-

зультатов соблюдалась выполнением требований стандартов, периодической поверкой и тарировкой приборов, анализом и контролем погрешностей. Научная новизна:

разработаны теоретические основы, математическая модель и численный метод расчёта процесса очистки отработавших газов в многоступенчатом каталитическом нейтрализаторе, состоящем из блоков фильтрации, окисления и восстановления;

установлены закономерности кинетических процессов и процессов очистки отработавших газов в каталитических нейтрализаторах, изготовленных из СВС-материалов;

установлены закономерности изменения теплофизических и механических свойств материала СВС-фильтров в зависимости от состава шихты и технологии их изготовления;

разработана математическая модель поведения колебательной системы рама - двигатель - корпус нейтрализатора - фильтрующий СВС-элемент, получены результаты численного исследования поведения этой системы;

в результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований установлены причины и закономерности разрушения фильтров, изготовленных из СВС-материалов в условиях эксплуатации;

разработаны методы повышения эффективности очистки отработавших газов судовых дизелей в металлокерамических фильтрах.

Работа выполнялась по заказу Министерства образования и науки РФ, в рамках Федеральной научно-технической программы «Экология» СО РАН; заданий Министерства образования и науки РФ НИР № 1.1.08 «Исследование температурной стабилизации каталитических блоков нейтрализаторов отработавших газов», № гос. регистрации 01 2008 50280; НИР № 7.342.2011 «Фундаментальное исследование возможности замещения благородных и редкоземельных металлов в катализаторах очистки отработавших газов от вредных веществ», № гос. регистрации 01 2012 60059; НИР № 7.7586.2013 «Фундаментальное исследование возможности замещения благородных и редкоземельных металлов в катализаторах очистки отработавших газов и использование мехатронных систем для повышения экологической и экономической эффективности транспорта», № гос. регистрации 01 2013 60605; НИР № 7.7586.2013 «Повышение эффективности очистки отработавших газов судовых дизелей путем совершенствования каталитических материалов для нейтрализаторов», № гос. регистрации 115102710003, выполняемых при непосредственном участии автора в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова (АлтГТУ).

Практическая значимость работы состоит в том, что в результате комплексного подхода к проблеме очистки отработавших газов судовых дизелей от вредных химических соединений:

- разработана математическая модель и программа расчёта процесса мно
гоступенчатой очистки отработавших газов судового дизеля в каталитическом
фильтре-нейтрализаторе с использованием СВС-материалов. Программа рас-
5

чёта на ЭВМ защищена свидетельством об официальной регистрации;

разработаны различные составы шихты для пористого проницаемого каталитического материала блоков нейтрализаторов на основе СВС-материалов. Новизна состава шихты защищена пятью патентами на изобретение;

разработана конструкция многоступенчатого, проницаемого металло-керамического фильтра-нейтрализатора, предназначенного для очистки отработавших газов судовых дизелей от вредных выбросов. Новизна устройства защищена патентом на изобретение;

спроектирован и изготовлен моторный стенд для исследования тепло-физических, гидродинамических и вибрационных характеристик каталитического катализатора, содержащего пористые проницаемые фильтры, полученные с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза;

предложены новые конструктивные технические решения по оснащению судов, находящихся в эксплуатации металлокерамическими фильтрами-нейтрализаторами.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты выполненных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, включая техническую документацию по конструкции фильтров-нейтрализаторов, переданы для внедрения в ООО «Алтайречфлот» (г. Барнаул), ООО «Барнаульский Речной Флот» (г. Барнаул), ОАО «Барнаул-трансмаш» (г. Барнаул), ОАО «Алтайский моторный завод» (г. Барнаул) и ООО "ДИЗЕЛЬТРАНССЕРВИС" (г. Барнаул).

Созданные при выполнении работы образцы нейтрализаторов, выпущенные учебные пособия и методические материалы используются в учебном процессе на кафедрах «Двигателей внутреннего сгорания», «Наземных транспортно-технологических систем» АлтГТУ и подобных кафедрах СГУВТ.

Достоверность и обоснованность результатов, обеспечивается:

использованием фундаментальных положений классической механики, термодинамики, газодинамики и химической кинетики;

проведением экспериментальных исследований на специально спроектированном и изготовленном моторном стенде по стандартным методикам, на сертифицированном измерительном оборудовании;

согласованностью полученных результатов экспериментальных исследований с теоретическими моделями и результатами численного моделирования;

- применением методов корреляционного и регрессивного анализа,
средств вычислительной техники, прикладных пакетов программ.

Полученные научные результаты подтверждены 2 патентами РФ на конструкции каталитических нейтрализаторов и 5 патентами на состав шихты для получения пористого проницаемого каталитического материала блоков нейтрализаторов, одним свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ [37-44].

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докла-

дывались на Всероссийских, республиканских, региональных, отраслевых и межотраслевых научно-технических конференциях и семинарах, в том числе:

международной научно-практической конференции "Проблемы техно-сферной безопасности - 2015", г. Барнаул, 2015 г.;

международной научно-технической конференции "7 - Луканинские чтения. Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе", г. Москва, 2015 г.;

всероссийской научно-технической конференции "Наука и молодежь -2015", г. Барнаул, 2015 г.;

международной научно-практической конференции "Новейшие технологии развития конструкции, производства, эксплуатации, ремонта и экспертизы автомобиля", г. Харьков, 2014 г.;

- региональной научно-практической конференции, посвященной
70 - летию Инженерного института (Мехфака) НГАУ, г. Новосибирск, 2014 г.;

всероссийской научно-технической конференции "Инженерные исследования и достижения - основа инновационного развития ", г. Рубцовск, 2014 г.;

межрегиональной научно-практической конференции "Региональные экологические проблемы", г. Барнаул, 2013 г.;

всероссийской научно-практической конференции "Состояние и перспективы развития социально-культурного и технического сервиса", г. Бийск, 2013 г.;

международной конференции "Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр", г. Усть-Каменогорск, 2012 г.;

всероссийской научно-технической конференции "Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы", г. Рубцовск, 2012 г.;

городской научно-практической конференции молодых учёных "Молодёжь - Барнаулу", г. Барнаул, 2012 г.;

всероссийской научно-технической конференции "Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы", г. Рубцовск, 2011 г.;

всероссийской научно-технической конференции "Наука и молодежь -2011", г. Барнаул, 2011 г.;

всероссийской научно-технической конференции "Наука и молодежь -2010", г. Барнаул, 2010 г.;

всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики", г. Барнаул, 2008 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 51 печатная работа, в том числе 22 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 7 патентов Российской Федерации, одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:

результаты исследования закономерностей изменения теплофизиче-ских и механических свойств СВС-материалов в зависимости от состава шихты и технологии изготовления;

теоретические основы и математическая модель процесса очистки от-

работавших газов судового дизеля в многоступенчатом каталитическом нейтрализаторе, состоящем из блоков фильтрации, окисления и восстановления;

результаты численного исследования процесса очистки отработавших газов в пористых проницаемых фильтрах, изготовленных из СВС-материалов;

результаты теоретического исследования кинетических процессов, проходящих в каталитических нейтрализаторах, изготовленных из СВС-материалов;

математическая модель поведения колебательной системы рама - двигатель - корпус нейтрализатора - фильтрующий СВС-элемент и результаты численного исследования поведения этой системы в условиях эксплуатации;

результаты экспериментального исследования причин и закономерностей разрушения фильтров, изготовленных из СВС-материалов в условиях эксплуатации;

принцип работы и конструкция металлокерамического фильтра- нейтрализатора из СВС-материалов, созданного с использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- результаты испытаний опытного образца металлокерамического
фильтра-нейтрализатора на специальном моторном стенде в условиях экс
плуатации;

- методы повышения эффективности очистки отработавших газов судо
вых дизелей в металлокерамических фильтрах.

Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50 %.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, списка литературы из 346 наименований и 2 приложений. Изложена на 340 страницах машинописного текста, который поясняется 96 рисунками и 49 таблицами.

Упругая деформация элементов нейтрализаторов и пути ее снижения

Отработавшие газы дизелей содержат в объемных процентах 76…78% азота, 2…18% кислорода, 0,5…4,0% паров воды, диоксид углерода и еще до 1200 компонентов с незначительными концентрациями.

С точки зрения охраны окружающей среды нетоксичные компоненты отработавших газов не представляют интерес. Однако, с точки зрения изучения процессов в каталитических нейтрализаторах интерес представляют практически все основные компоненты отработавших газов, так как при моделировании процессов очистки газов должны соблюдаться балансы по углероду, кислороду и водороду.

Нетоксичные компоненты в составе отработавших газов могут участвовать в процессах каталитической очистки в нейтрализаторах и доокисления твердых частиц в сажевых фильтрах.

Содержание основных токсичных компонентов в отработавших газах судовых, транспортных и промышленных дизелей приведено в таблице 1.3 по данным В.И. Смайлиса (ЦНИДИ) и по данным фирмы «BOSCH» [17, 208].

Компоненты отработавших газов дизелей Концентрация в отработавших газах в объемной массе, г/м3 Удельные выбросы, г/(кВтч) По В.И.Смайлису[234] По данным фирмы «BOSCH» По В.И.Смайлису[234] По даннымфирмы «BOSCH» [1] XX режим полной мощности Оксид углерода -СО 0,25...2,50 0,125... 0,562 0,44...2,50 1,50...12,00 2,20... 10,0 Оксиды азота -NОx 2,00... 8,00 0,10...0,51 1,23...5,125 10,00...30,00 6,15...20,50 Углеводороды -СxНy 0,25...2,00 0,19...1,91 до 0,57 1,50...8,00 до 2,28 Твердые частицы - ТЧ 0,05...0,50 0,02 до 0,20 0,25... 2,00 до 0,80 Состав отработавших газов дизельных двигателей достаточно изучен [1, 136, 186] отечественными и зарубежными учеными и содержит свыше 1200 компонентов основные из которых представлены в таблице 1.4 [67, 160]. Таблица 1.4 - Состав и уровни основных вредных выбросов дизельных двигателей, г/(кВтч) Дизели Компоненты отработавших газов Сернистый ангидрид 0,95 0,90 1,00 0,60 Оксид углерода 4,1-5,4 4,1-4,8 11,0-12,0 2,6-2,7 Оксид азота 12-19 15-16 18-19 13-15 Углеводороды 2,0-4,1 3,0-4,0 8,2 1,4-3,0 Альдегиды (% по объему) 0,006 0,003-0,6 0,009-1,2 0,001-0,6 Твердые частицы 1,4-2,0 1,4 1,8 0,8 Бенз--перен, мкг/(кВтч) 1,4-2,0 1,3-1,4 1,34-1,96 1,10-1,14 Диоксид серы SO2 имеет свойство доокислитьcя в присутствии кислорода отработавших газов до SO3 и в реакции с парами воды образуются частицы серной кислоты H2SO4.

Оксид углерода (монооксид) CO образуется в ходе предпламенных реакций, при сгорании углеводородного топлива с некоторым недостатком окислителя, а также при диссоциации диоксида углерода CO2 при температуре свыше 2000 К. Источниками появления CO в цилиндре дизеля можно считать: низкотемпературные участки пламени в стадии воспламенения топлива; капли топлива, поступающие в камеру на поздних стадиях впрыска топлива в диффузионном пламени при недостатке кислорода; частицы сажи, образовавшиеся в период распространения турбулентного пламени по гетерогенному заряду, в котором существуют зоны с недостатком кислорода.

Есть сведения о том, что в результате частичного окисления углеводородов топлива и продуктов их термической деструкции в цилиндре двигателя существуют условия для образования большого количества кислородосодержащих летучих соединений. Эти соединения обладают высокой биологической активностью и чрезвычайно опасны для здоровья населения.

Окисления азота по цепочке NONO2N2O3N2O5 приводит к тому, что в реакции с парами воды образуются частицы азотной кислоты HNO3.

Сажа, по данным современных исследований [14, 18, 30, 136], представляет собой конечный продукт объемного процесса термического разложения (пиролиза) углеводородных топлив и масел в газовой фазе в условиях локального недостатка окислителя (кислорода воздуха). Первичные сажевые частицы в цилиндре дизеля имеют размер от 50 до 500 , сажевые конгломераты на выпуске достигают размеров 0,4...5 мкм. Удельная поверхность сажи для различных условий работы дизеля изменяется в пределах 60...125 м2/г. Более подробный состав газов приведен в таблице 1.5 [65].

По имеющимся данным, разброс показателей выбросов отработавших газов в пределах однотипных дизелей не превышает 30...50% от среднего уровня, в пределах одной серии - 15...25%. Доля оксидов азота в суммарных выбросах составляет 30...80% по массе и 60...95% по эквивалентной токсичности [33, 111, 124, 131, 135]. Учитывая, что ТЧ являются накопителями ПАУ, им уделяется особое внимание.

Современная топливоподающая аппаратура с электронным управлением, обеспечивающая повышенное давление впрыска: с роторными ТНВД до 160…180 МПа, насос-форсунками и индивидуальными ТНВД до 200 МПа, в Common Rail первого поколения до 135 МПа, а второго - до 160 МПа, открыла новые возможности в организации смесеобразования в дизелях. Последние модели дизелей уже имеют повышенное до 140…180 МПа давление впрыска, позволяющее гомогенизировать топливовоздушную смесь в цилиндре, организовать своевременный подвод тепла в цикле, увеличить полноту сгорания, значительно снизить выбросы оксида углерода, углеводородов и твердых частиц с отработавшими газами.

В таблице 1.6 приведены сравнительные данные о вредных выбросах перспективного многоцелевого дизеля ОАО ХК «Барнаултрансмаш» (Россия), в том числе о выбросах твердых частиц. Необходимо отметить, что в целях повышения топливной экономичности сделаны значительные усилия, прежде всего связанные с совершенствованием смесеобразования.

Критерии теплового разрушения каталитических материалов с учетом их состава

Рассматривая вопросы тепловой напряженности каталитических блоков нейтрализаторов, необходимо обратиться к условиям их эксплуатации. Тенденции развития двигателей внутреннего сгорания связаны с ростом среднего эффективного давления, частоты вращения коленчатых валов и увеличением рабочего объема. Это обусловило появление ряда проблем, в том числе с возрастанием тепловых нагрузок на каталитические блоки нейтрализаторов отработавших газов. При этом тепловой поток через пористые проницаемые стенки становится более интенсивным. При неизменных конструктивных условиях растут температуры и температурные градиенты, а следовательно, и температурные напряжения в стенках каталитических блоков, понижаются характеристики длительной прочности и стабильность механических свойств материалов. Предельное состояние в данном случае определяется различными признаками: преждевременным (до выработки ресурса) появлением трещин в каталитических материалах, интенсификацией газодинамической коррозии, разрушением материалов по границам каркаса. Тот или иной вид предельного состояния достигается при определенном разогреве каталитических блоков, который оказывается критическим лишь в сочетании с определенными значениями соответствующих характеристик конструкционного материала. Отношение максимальной рабочей температуры каталитического блока к указанному критическому значению является одной из характеристик тепловой напряженности каталитического нейтрализатора. Критической является температура пористого каталитического СВС- материала, при которой образуются трещины. Появление трещин в каталитических блоках может быть связано с кратко 60 временным развитием в них напряжений механического или теплового происхождения, достигающих предельных значений, либо с накоплением циклов от тепловых нагрузок (и механических).

Развивающиеся в каталитических блоках температурные напряжения обусловливаются их конструктивной формой, теплофизическими характеристиками материала и тепловым состоянием блока и сопряженных с ним элементов. При этом температурное поле каталитических блоков или определяющие его параметры (уровни температуры в характерных точках и температурные градиенты) при прочих равных условиях являются данными для сравнительного анализа динамики тепловой напряженности в зависимости от изменения параметров потока отработавших газов.

Образование интерметаллического соединения, получаемого применением СВ- синтеза, по представлениям [71] протекает в диффузионной зоне определенной протяженности, обусловленной различной длиной диффузионной траектории атомов до их связывания в соединение. Это хорошо прослеживается на механизме взаимодействия в системе титан-алюминий. Отличительной чертой реагирования этой системы является невысокая адиабатическая температура горения (1545 К) по данным работы [236], значительно меньшая как температуры плавления тугоплавкого компонента, так и температур существования жидких растворов [235].

Диффузия атомов алюминия из расплава в решетку частиц титана приводит к зарождению в диффузионной зоне вблизи поверхности частиц интерметаллического соединения TiAl3, имеющего наибольший среди соединений титана с алюминием тепловой эффект образования [226] и находящегося в равновесии с расплавом алюминия на бинарной диаграмме состояния [266].

Поскольку диффузионное образование интерметаллида на базе кристаллической решетки титана связано с существенным искажением кристаллической решетки последнего, внутренние слои интерметаллида, граничащие с чистым металлом, испытывают напряжение сжатия, тогда как внешние слои - напряжение растяжения (рисунок 2.1). В результате растущий слой интерметаллида находится в сложном напряженном состоянии, а после достижения растягивающими напря 61 жениями предела его прочности интерметаллид разрушается (рисунок 2.2). В то же время напряжение сжатия в зоне контакта растущего слоя интерметаллида и титана провоцируют зарождение и рост пор и трещин внутри самого титана и проникновение жидкого алюминия сквозь несплошности непосредственно из расплава.

Критерии вибронагруженности каталитических фильтров нейтрализаторов

Каталитические нейтрализаторы представляют собой пористые проницаемые фильтрующие элементам, используемые для очистки отработавших газов дизелей, можно считать сложными техническими системами по следующим причинам: они имеют большое количество составляющих частей связанных функционально, требуют систем управления, виброизоляции, имеют множество происходящих в них физических и химических процессов.

Согласно классификации В.А. Веникова [35], создавая модель сложной технической системы, имеется возможность решения: прямых задач анализа, например, динамического поведения, в которых определяются реакции системы с заданными свойствами, например, поведение фильтрующего элемента с известным составом и структурой и свойствами материала в условиях вибраций, вызывающей реакции, способствующие разрушению материала; задач синтеза, требующих нахождению структуры системы и ее параметров, обеспечивающих заданное свойство материала; индуктивных задач, решение которых необходимо для проверки гипотез, описания системы и выявления ее свойств, например, вибростойкости материала.

Фильтрующие элементы работают в условиях различных по амплитудам и частотным параметрам колебательных процессов, что предопределяет высокий уровень динамических напряжений, возникающих в материалах пористых проницающих каталитических фильтров нейтрализаторов и влияет на их вибростойкость, надежность и долговечность.

Решение проблемы может развиваться в нескольких направлениях: в повышение вибростойкости материалов каталитических фильтров, подрессоривании каталитических нейтрализаторов или их виброизоляции, виброизоляции источника вибраций. Вибростойкость материалов фильтров может также достигаться определением состава и технологических режимов их получения.

Каталитические нейтрализаторы с пористыми проницаемыми каталитическими фильтрующими элементами нельзя рассматривать в отрыве от источника динамических воздействий. Создание современных средств снижения вредных выбросов с отработавшими газами связано с внедрением новых высокопрочных материалов, совершенствованием конструкций и методов конструирования состава материалов. При этом необходимо учитывать, что снижение жесткости отдельных элементов приводит к повышению чувствительности к динамическим воздействиям.

Необходимой предпосылкой повышения виброустойчивости пористых проницаемых каталитических материалов является четкое понимание их динамического поведения в каталитических нейтрализаторах в условиях эксплуатации. В многочисленных исследованиях динамики поведения машин, например, [36, 37, 72, 219, 270] приводятся упрощенные модели элементов нейтрализаторов, основные недостатки которых сводятся к сведению многомассовых систем, имеющих кинематические и силовые связи между элементами, к упрощенной одномерной задаче без учета реальных режимов нагружения и реальных взаимодействий между элементами дизелей и нейтрализаторов.

Для контроля колебаний фильтрующих элементов (как механической системы) в составе нейтрализаторов необходимым моментом является понимание деталей их динамического поведения при воздействии возбуждающих сил. Для решения этой задачи использовались различные подходы, включая прямое получение необходимой информации путем замеров, математическое моделирование и точное решение дифференциальных уравнений движения, дискретное моделирование и точное решение дифференциальных уравнений движения, дискретное моделирование с помощью конечных элементов и решение результирующих уравнений второго порядка.

Все эти подходы имеют свои достоинства и недостатки, и не один из мето 87 дов не может считаться наилучшим. Эта особенность, по-видимому, наиболее важна именно в условиях, когда с помощью ЭВМ можно с достаточной степенью точности решить системы дифференциальных уравнений любого порядка, описывающих механическое поведение сложных многомассовых динамических систем [34].

Конструкции каталитических нейтрализаторов имеют элементы, обладающие конечными значениями жесткости и массы (элементы демпфирования корпусов, каталитических блоков и фильтров).

В результате приложения внутренних нагрузок при эксплуатации дизелей возникают конечные деформации упругих элементов, что при определенных условиях приводит к вибрациям с большими амплитудами или к потере устойчивости процессов динамического деформирования.

При решении задач повышения вибростойкости материалов для фильтрующих элементов нейтрализаторов с одной стороны дается ответ о жесткостных характеристиках виброизолирующих материалов, с другой - прогнозируется динамические перемещения, вибрации с большими амплитудами и потере устойчивости процессов динамического деформирования создаваемых материалов с повышенной вибростойкостью. Особую важность принимают вопросы структурной и параметрической оптимизации конструкций каталитических фильтров с целью снижения динамических перемещений.

В связи с этим в работе рассматриваются задачи моделирования и анализа динамического поведения каталитических фильтров нейтрализаторов, расчет собственных частот колебаний фильтров, построение амплитудно-частотных характеристик, на примере дизель- генераторной установки (ДГУ). Схема сил и моментов, действующих сил на нейтрализатор отработавших газов приведена на рисунке 3.1.

Анализируя схему сил и моментов, представленную на рисунке 3.1 следует отметить, что каталитические элементы нейтрализаторов, установленных, например, на дизель- генераторах, испытывают на себе силы и моменты, возбуждающие линейные колебания вертикальные, продольные, горизонтальные относительно центра тяжести, а также круговые колебания вокруг осей. То есть мы имеем на лицо 6 видов колебаний. Суммарное воздействие шести видов колебаний на материал фильтрующего элемента вызывает его разрушение

Влияние колебаний отработавших газов в системе выпуска на гидравлические характеристики системы выпуска

Пористые проницаемые блоки, полученные по СВС- технологии, как фильтрующий материал привлекательны тем, что имеют высокую прочность, лучшую сопротивляемость термическим напряжениям и ударам, хорошую воспроизводимость таких свойств как пористость, проницаемость, извилистость пор, возможность формообразования в процессе изготовления, возможность введения катализаторов в процессе приготовления шихты, могут применяться в каталитических нейтрализаторах и сажевых фильтрах для очистки отработавших газов судовых дизелей.

В качестве фильтрующего элемента можно рассматривать стенку пористого проницаемого СВС- блока, для очистки отработавших газов судовых дизелей. Поскольку пористые фильтры, как правило, содержат в своем составе металлы-катализаторы, то правильно их следует называть пористыми каталитическими фильтрами (ПКФ). Несмотря на простоту конструкции ПКФ, недостаточно полно изучены принципы их работы, описывающие эффективность каталитической очистки и гидравлическое сопротивление через физические параметры ПКФ: пористость, размеры и форму фильтров, наличие тупиковых пор, средний приведенный диаметр пор, извилистость, шероховатость пор, состав и другие.

Такое положение вызвано тем, что структура пористых фильтрующих материалов образована хаотически или не до конца упорядоченно расположенными частицами металлов, оксидов неправильных геометрических форм и различных размеров. В этих условиях понятие «поры» как некоторого канала, ограниченного твердыми стенками, не имеет физического смысла.

Под влиянием чисто эмпирических методов разработки ПКФ и из-за отсутствия выявленных функциональных зависимостей между структурой ПКФ и по 116 казателями фильтрации и очистки сложилось мнение о том, что существует свобода выбора сочетаний гидравлического сопротивления и эффективности очистки. Выявлено, что подбором компонентов шихты и режимов СВС- процесса можно добиться изготовления ПКФ, имеющих различные гидравлические сопротивления при заданной эффективности очистки газов от токсичных веществ и твердых частиц, следовательно можно вести речь, об управляемости процессами образования пор и создания упорядоченных структур пористых материалов, получаемых по СВС- технологии.

Основной причиной неоднозначности положения является отсутствие установленных закономерностей в структурах пористых проницаемых СВС- материалов, а также течении отработавших газов по порам.

По данным В. В. Евстигнеева и С. Ю. Соломенцева [71], сложная конфигурация внутренних пор обеспечивает фильтрацию частиц по своим размерам, которые в несколько раз меньше, чем размеры пор.

При рассмотрении процесса фильтрации твердых частиц из отработавших газов дизелей в пористых проницаемых СВС- блоках необходимо учитывать, что существует одновременно целый ряд явлений: изменение состояния газов; до-окисление продуктов неполного сгорания; теплопередача и теплообмен; диффузия в порах; поглощение твердых частиц фильтрующим материалом; инерционный захват твердых частиц; пульсации потока газов и другие.

Полнота представлений приближает создаваемую модель к действительной картине фильтрации и позволяет добиваться сходимости результатов моделирования с данными эксперимента.

При движении газов вдоль пористой стенки, течение газов можно разделить на области: - область очень тонкого слоя вблизи пористого проницаемого блока - пограничного или пристеночного слоя, где трение играет существенную роль и для которого необходимо использовать уравнения динамики вязкого вещества, где составляющая скорости в направлении движения вдоль стенки возрастает от нуля у стенки до скорости потока; - область течения вне этого слоя, где трением можно пренебречь и для которого справедливы уравнения идеальной жидкости. Процессы очистки отработавших газов в каталитических нейтрализаторах в основном описаны полуэмпирически, строгой методики расчетов нейтрализаторов не существует, нет математических моделей, связывающих в единое целое систему выпуска, каталитический нейтрализатор и двигатель.

К настоящему времени накоплен определенный опыт проектирования и расчета каталитических нейтрализаторов отработавших газов для дизелей различного назначения, а также подбора катализаторов. Однако, как показывают результаты испытаний двигателей с нейтрализаторами на стендах и в условиях эксплуатации, эффективность очистки газов оказывается, как правило, ниже заявляемой авторами проектов. Это объясняется тем, что при подборе катализаторов зачастую используют не отработавшие газы, а газовые смеси. Эти смеси прогревают до температур наивысшей эффективности катализаторов, в то время как поршневые двигатели работают на переменных режимах.

При расчете нейтрализаторов по существующей методике определяется противодавление, создаваемого каталитическим блоком, а при расчете, например, нейтрализаторов с насыпным шариковым катализатором учитывают удельную поверхность катализатора, исходя из пористости носителя. В то же время при любом уплотнении шарикового катализатора, а носитель не имеет формы правильного шара, между шариками появляются лабиринты сквозных пространств, через которые и направляются отработавшие газы, минуя поры носителя, т.е. не используя удельной поверхности катализатора. Микропоры таких катализаторов перестают работать уже через 2 - 3 ч эксплуатации дизеля, а продолжают работают лишь микропоры с каталитическим покрытием.