MD1572Z - Dispozitiv pentru recircularea şi epurarea gazelor de eşapament de fracţii solide şi gaze toxice ale motorului cu ardere internă - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la sisteme de evacuare, utilizate în autovehicule, şi anume la dispozitive pentru recircularea şi epurarea gazelor de eşapament de fracţii solide şi gaze toxice ale motorului cu ardere internă. Dispozitivul, conform invenţiei, conţine o cameră (4), intrarea căreia este unită cu un colector de evacuare al motorului cu ardere internă, iar ieşirea - cu intrarea unui element filtrant (1), unit cu un colector de admisie al motorului cu ardere internă. Camera (4) este dotată cu duze direcţionate tangenţial peretelui interior al unei camere de separare a energiei (8) a unui tub vortex (2), format dintr-un electrod de ionizare (7) metalic, executat în formă de spirală, şi un electrod de impulsuri (9) metalic, fixat de capătul unei tije conductoare (6) acoperită cu un strat izolant, care comunică cu o valvă conică (5) acţionată de o bobină (11) şi plasată pe capătul cald al tubului vortex (2), pe care este montată o cameră, unită cu o tobă de eşapament. Tija conductoare (6) este conectată la un convertor de creştere a tensiunii de impuls (10), conectat la o baterie de acumulatoare, la care este conectată şi bobina (11) prin intermediul unei unităţi de comandă (12) a motorului cu ardere internă. Elementul filtrant (1) este dotat cu elemente de încălzire electrice (13), conectate prin intermediul unui releu (14) la bateria de acumulatoare.

Description

Invenţia se referă la sisteme de evacuare, utilizate în autovehicule, şi anume la dispozitive pentru recircularea şi epurarea gazelor de eşapament de fracţii solide şi gaze toxice ale motorului cu ardere internă. În special, prezenta invenţie se referă la sisteme de recuperare şi evacuare a gazelor de eşapament, care se răcesc şi apoi o parte din ele sunt recirculate înapoi către motorul cu ardere internă pentru a reduce emisiile de oxid de azot. Mai precis, prezenta invenţie se referă la sisteme de evacuare, care îndepărtează particulele şi, cel mai important, nanoparticulele şi gazele toxice din gazele de eşapament pentru a reduce poluarea mediului înconjurător. Invenţia poate fi utilizată pentru fabricarea motoarelor cu ardere internă noi, precum şi pentru modernizarea motoarelor cu ardere internă aflate în exploatare.

Este cunoscut un dispozitiv de neutralizare a gazelor de eşapament pentru motorul cu ardere internă, care conţine un corp cilindric cu turbion de evacuare şi un arzător de evacuare. Pentru a reduce toxicitatea gazelor de evacuare şi pentru a spori eficienţa motorului cu ardere internă, turbionul este executat în formă de melc pentru răsucirea fluxului de gaze, şi este format din două virole cilindrice, amplasate concentric de-a lungul axei sale, unde virola interioară serveşte pentru direcţionarea aerului atmosferic care pătrunde prin orificiile laterale de la capătul ei, iar virola exterioară este dotată cu o îngustare sub un unghi de 45° la ieşire pentru creşterea debitului de gaze şi amestecul lor cu aerul [1].

Dezavantajele dispozitivului cunoscut constau în lipsa modalităţii de neutralizare a gazelor toxice ce conţin: aldehide, monoxid de carbon şi hidrocarburi, întrucât temperatura flăcării este mai mică de 550° C. În plus, incapacitatea de utilizare a aprinderii în spaţii închise necesită consum de combustibil suplimentar. De asemenea, creşterea volumului gazelor de eşapament ale motorului cu ardere internă măreşte costul oxidantului.

Mai este cunoscut un dispozitiv de răcire a gazului de recirculare pentru vehicul, care constă dintr-o carcasă, în care sunt amplasate mai multe conducte. Conductele de admisie şi de evacuare a apei sunt amplasate pe partea exterioară a carcasei, totodată un convertor catalitic este amplasat la capetele de intrare a conductelor pentru gazele de eşapament [2].

Dezavantajele dispozitivului cunoscut constau în greutatea şi dimensiunea mare a dispozitivului, iar complexitatea de funcţionare reduce fiabilitatea motorului cu ardere internă, deoarece fracţiile lichide şi solide ale gazelor de eşapament afectează schimbătorul de căldură, totodată suprafeţele interioare necesită de a fi curăţite periodic de funingine.

De asemenea este cunoscut un sistem de recirculare a gazelor de eşapament pentru un motor cu ardere internă, care constă dintr-o conductă de derivaţie cu un element de închidere reglabil. Intrarea conductei de derivaţie comunică cu conducta de evacuare a gazelor de eşapament al motorului cu ardere internă, iar ieşirea ei comunică cu conducta de admisie a motorului cu ardere internă. Conducta de derivaţie este detaşabilă, fixată prin piuliţe de unire, iar conducta de evacuare, amplasată de-a lungul fluxului de gaze de eşapament, este dotată cu o ţeavă de căldură despărţitoare, dispusă secvenţial la răcire cu aer sau lichid printr-un separator pentru îndepărtarea umidităţii, ultimul fiind amplasat în faţa unui element de blocare reglabil [3].

Dezavantajele sistemului cunoscut constau în lipsa posibilităţii de purificare a gazelor de eşapament de fracţii lichide şi solide, în special, de particulele de funingine şi benzopirină, formate în timpul funcţionării motorului cu ardere internă. La recircularea gazelor de eşapament către motorul cu ardere internă, particulele de funingine de fracţie mare influenţează negativ asupra elementelor constitutive ale grupului cilindru-piston al motorului cu ardere internă. În plus, fracţiile lichide şi solide ale gazelor de eşapament se depozitează pe supapa sistemului, ceea ce conduce la funcţionarea nesigură a acestei supape. De asemenea, sistemul nu asigură răcirea gazelor de eşapament, care recirculă în camera de ardere a motorului cu ardere internă.

Mai este cunoscut un sistem de recirculare cu tub vortex a gazelor de eşapament cu amortizor de zgomot, care constă dintr-un dispozitiv de admisie a aerului, conectat la un carburator. Sistemul conţine un amortizor, dotat cu un mecanism de filtrare, amplasat în interiorul camerei amortizorului, ce facilitează separarea gazelor de eşapament ale motorului din fluxul de gaze fierbinţi. Mecanismul de filtrare conţine un element filtrant, care filtrează particule solide şi alţi poluanţi. Gazul de eşapament al motorului este admis în jurul circumferinţei camerei de eşapament cilindrice, astfel încât gazul de eşapament se va roti în interiorul camerei, în care este amplasat un element conic pentru separarea şi direcţionarea fluxurilor de gaze. Fluxul de gaze reci este direcţionat către dispozitivul de admisie a aerului prin conducta de recirculare a gazelor, fixată la intrarea tobei de eşapament, astfel încât aerul răcit sub presiune este direcţionat către carburator pentru a îmbunătăţi performanţa şi eficienţa motorului. Fluxul de gaze fierbinţi filtrat este evacuat în mediul înconjurător prin ieşirea tobei de eşapament [4].

Dezavantajele acestui sistem constau în următoarele. Experimentele practice au demonstrat că în tubul vortex acţionează o forţă centripetă, astfel particulele solide separate din gazul de eşapament pătrund în conducta de recirculare a gazelor, conectată la conducta de admisie a motorului cu ardere internă. Aceste particule solide afectează elementele constructive şi accelerează uzura unităţii cilindru-piston a motorului cu ardere internă.

Cea mai apropiată soluţie tehnică este un dispozitiv de captare a particulelor solide ale gazelor de eşapament, direcţionate în conducta de recirculare, care conţine cel puţin un element parţial permeabil gol, care prin peretele său permeabil la gaz delimitează conducta de recirculare de conducta de evacuare a gazelor de eşapament. Astfel, dispozitivul dat blochează întoarcerea particulelor de carbon sau funingine către motorul cu ardere internă, evitând pătrunderea particulelor de fum negru din gazul de eşapament, care au un efect negativ asupra motorului cu ardere internă [5].

Dezavantajele dispozitivului cunoscut constau în faptul că este posibilă purificarea de particule solide numai a gazelor de eşapament care pătrund în sistemul de recirculare, dar nu şi a gazelor de eşapament emise în atmosferă. Dispozitivul nu permite regenerarea elementului parţial permeabil. Înafara de aceasta, gazele din fluxul de recirculare nu se răcesc, iar fluxul de gaze de eşapament direcţionate la catalizatorul de oxidare din conducta de evacuare a motorului cu ardere internă, nu se încălzeşte.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în:

- purificarea fluxului de gaze de evacuare a motorului cu ardere internă de gaze toxice, aşa ca aldehide, dioxide de sulf, oxide de azot şi de fracţii lichide şi solide (funingine şi benzopirină), în special cu dimensiuni mai mici de 50 nm;

- arderea gazelor toxice şi fracţiilor solide (funingine şi benzopirină) cu dimensiuni mai mici de 50 nm în camera de ardere a motorului cu ardere internă;

- capturarea unei fracţii solide (funingine şi benzopirină) de gaze de evacuare mai mari de 50 nm, folosind un element filtrant;

- răcirea şi reglarea fluxului recirculat de gaze de evacuare, îndreptat către colectorul de admisie al motorului cu ardere internă;

- creşterea temperaturii gazelor de eşapament direcţionate către colectorul de admisie;

- regenerarea elementului filtrant printr-un flux invers de aer încălzit în colectorul de admisie al motorului cu ardere internă.

Dispozitivul pentru recircularea şi epurarea gazelor de eşapament de fracţii solide şi gaze toxice ale motorului cu ardere internă, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine o cameră, intrarea căreia este unită printr-o conductă de evacuare a gazelor de eşapament cu un colector de evacuare al motorului cu ardere internă, iar ieşirea ei este unită cu intrarea unui element filtrant prin intermediul unei diafragme plasate la capătul rece al unui tub vortex, elementul filtrant fiind unit printr-o conductă de recirculare a gazelor cu un colector de admisie al motorului cu ardere internă. Camera este dotată cu duze direcţionate tangenţial peretelui interior al unei camere de separare a energiei a tubului vortex, format dintr-un electrod de ionizare metalic, executat în formă de spirală, şi un electrod de impulsuri metalic, fixat de capătul unei tije conductoare acoperită cu un strat izolant, care comunică cu o valvă conică acţionată de o bobină şi plasată pe capătul cald al tubului vortex, pe care este montată o cameră, unită cu o tobă de eşapament. Tija conductoare este conectată la un convertor de creştere a tensiunii de impuls, conectat la o baterie de acumulatoare, la care este conectată şi bobina prin intermediul unei unităţi de comandă a motorului cu ardere internă. Elementul filtrant este dotat cu elemente de încălzire electrice, conectate prin intermediul unui releu la bateria de acumulatoare, releul fiind unit cu unitatea de comandă a motorului cu ardere internă.

Avantajele tehnice ale invenţiei constau în utilizarea unui element filtrant pentru a capta particulele nocive nu numai din fluxul de gaze de eşapament pentru recirculare, dar şi din fluxul de gaze de eşapament de evacuare din motorul cu ardere internă.

Totodată, dispozitivul asigură epurarea gazelor de eşapament de gaze toxice şi particule mici, sub 50 nm, şi de a le direcţiona prin elementul filtrant pentru ardere în camera de ardere a motorului cu ardere internă.

În plus, dispozitivul propus permite regenerarea elementului filtrant cu aer încălzit din colectorul de admisie şi controlul fluxului gazelor de eşapament prin schimbarea poziţiei valvei conice.

De asemenea, dispozitivul propus permite reducerea parţială a temperaturii gazelor de eşapament direcţionate către conducta de recirculare a gazelor, şi creşterea parţială a temperaturii gazelor de eşapament direcţionate către conducta de evacuare.

Invenţia se explică prin desene din fig. 1 şi 2, care reprezintă:

- fig. 1, vederea în ansamblu a dispozitivului pentru recircularea şi epurarea gazelor de eşapament de fracţii solide şi gaze toxice ale motorului cu ardere internă;

- fig. 2, secţiunea A-A din fig. 1.

Elemente menţionate în desene:

1 - elementul filtrant pentru captarea particulelor solide cu dimensiuni mai mari de 50 nm din gazele de eşapament;

2 - tubul vortex;

3 - diafragma, amplasată la capătul rece al tubului vortex;

4 - camera, dotată cu duze direcţionate tangenţial peretelui interior al camerei de separare a energiei a tubului vortex;

5 - valva conică, amplasată la capătul cald al tubului vortex;

6 - tija conductoare, acoperită cu un strat izolant;

7 - electrodul de ionizare metalic;

8 - camera de separare a energiei a tubului vortex;

9 - electrodul de impulsuri metalic;

10 - convertorul de creştere a tensiunii de impuls;

11 - bobina;

12 - unitatea de comandă a motorului cu ardere internă, care controlează bobina valvei conice şi releul de conectare a elementelor de încălzire electrice la bateria de acumulator;

13 - elementele de încălzire electrice (bujiile incandescente) pentru încălzirea fluxului recirculat;

14 - releul de conectare a elementelor de încălzire electrice;

15 - fluxul axial turbionar inversat de gaze de eşapament reci;

16 - fluxul tangenţial turbionar de gaze de eşapament fierbinţi.

Dispozitivul pentru recircularea şi epurarea gazelor de eşapament de fracţii solide şi gaze toxice ale motorului cu ardere internă conţine camera 4, intrarea căreia este unită prin conducta de evacuare a gazelor de eşapament cu colectorul de evacuare al motorului cu ardere internă, iar ieşirea ei este unită cu intrarea elementului filtrant 1 prin intermediul diafragmei 3 plasate la capătul rece al tubului vortex 2, elementul filtrant 1 fiind unit prin conducta de recirculare a gazelor cu colectorul de admisie al motorului cu ardere internă. Camera 4 este dotată cu duze direcţionate tangenţial peretelui interior al camerei de separare a energiei 8 a tubului vortex 2 pentru formarea fluxului tangenţial turbionar de gaze de eşapament fierbinţi 16 şi a fluxului axial turbionar inversat de gaze de eşapament reci 15. Tubul 2 este format din electrodul de ionizare 7 metalic, executat în formă de spirală, şi electrodul de impulsuri 9 metalic, fixat de capătul tijei conductoare 6 acoperită cu un strat izolant, care comunică cu valva conică 5 acţionată de bobina 11 şi plasată pe capătul cald al tubului vortex 2, pe care este montată camera, unită cu toba de eşapament. Tija conductoare 6 este conectată la convertorul de creştere a tensiunii de impuls 10, conectat la bateria de acumulatoare, la care este conectată şi bobina 11 prin intermediul unităţii de comandă 12 a motorului cu ardere internă. Elementul filtrant 1 este dotat cu elementele de încălzire electrice 13, conectate prin intermediul releului 14 la bateria de acumulatoare, releul 14 fiind unit cu unitatea de comandă 12 a motorului cu ardere internă.

Dispozitivul pentru recircularea şi epurarea gazelor de eşapament de fracţii solide şi gaze toxice ale motorului cu ardere internă funcţionează în modul următor.

Gazele de eşapament ale motorului cu ardere internă sunt distribuite din colectorul de evacuare al motorului cu ardere internă prin conducta de evacuare a gazelor de eşapament către duzele din camera 4, care direcţionează fluxul gazelor de eşapament tangenţial peretelui interior al camerei 8 a tubului vortex 2, astfel formându-se fluxul tangenţial turbionar de gaze de eşapament fierbinţi 16 de-a lungul electrodului de ionizare 7 metalic spre valva conică 5 din capătul cald al tubului 2. Ca rezultat, energia de separare în camera 8 a fluxului 16, răcindu-se, formează fluxul axial turbionar inversat de gaze de eşapament reci 15, care având aceeaşi direcţie de rotaţie turbulentă se deplasează în direcţie opusă, spre capătul rece al tubului 2 şi diafragma 3. Gazele toxice relativ mai grele, cum ar fi aldehide, dioxidul de sulf, oxidul de azot, precum şi fracţiile lichide şi solide din fluxul de gaze de eşapament, la fel şi funinginea şi benzopirina, sunt retrase de fluxul 15. Impulsurile de curent înalt de la convertorul de creştere a tensiunii de impuls 10 sunt distribuite către electrodul de impulsuri 9, fixat de capătul tijei conductoare 6 acoperită cu strat izolant, care comunică cu valva conică 5 acţionată de bobina 11 şi plasată pe capătul cald al tubului vortex 2. Tensiunea înaltă, distribuită către electrodul de impulsuri 9, efectuează o descărcare Corona pe marginea interioară a electrodului de ionizare 7, executat în formă de spirală, provocând câmpul electric dintre electrozii 7 şi 9, care încarcă fracţiile solide şi lichide şi le îndepărtează din fluxurile 15 şi 16.

Astfel, fluxul 15 este direcţionat prin diafragma 3 de la capătul rece al tubului vortex 2 către intrarea elementului filtrant 1. Elementul filtrant 1 captează fracţiile solide de funingine şi benzopirină cu dimensiuni mai mari de 50-100 nm, iar particulele solide şi fracţiile lichide mai mici, împreună cu gazele toxice răcite de fluxul 15, sunt trecute prin elementul filtrant prin conducta de recirculare a gazelor în colectorul de admisie al motorului cu ardere internă, unde sunt arse în camera de ardere a motorului cu ardere internă.

Deschiderea valvei conice 5 prin deplasarea tijei 6, acţionate de bobina 11, permite controlul volumului şi direcţiei de mişcare a fluxului de gaze de eşapament în camera de separare a energiei 8. Astfel, fluxul 15 este direcţionat către colectorul de admisie al motorului cu ardere internă pentru recirculare.

Pentru a regenera elementul filtrant 1, unitatea de comandă 12 a motorului cu ardere internă conectează elementele de încălzire electrice 13 prin releul 14, conectat la bateria de acumulatoare, după ce se deschide valva conică 5 complet, acţionată de bobina 11 şi se creează un flux de gaze fierbinţi, direcţionat de la colectorul de admisie al motorului cu ardere internă către elementul filtrant, care distruge particule solide (negru de fum, carbon), captate de elementul filtrant 1.

Argumentarea de către studiile experimentale cunoscute din presa deschisă a eficienţei preconizate a unui dispozitiv vortex pentru separarea energetică a gazelor toxice.

În dispozitivul propus, se utilizează un tub vortex inventat în 1928 de studentul francez George Ranque şi studiat de Hilsch, care este numit Ranque-Hilsch Vortex Tube, în care se realizează efectul Ranque-Hilsch. Tubul vortex este cunoscut ca un dispozitiv de răcire neconvenţional fiind simplu şi sigur, care creează două fluxuri de gaze: fluxul tangenţial turbionar de gaze de eşapament fierbinţi 16 şi fluxul axial turbionar inversat de gaze de eşapament reci 15. Atunci când gazul este furnizat tangenţial peretelui cilindric interior al camerei 4 prin duze, camera 4 formează un flux circular care intră în camera de separare a energiei 8, în timp ce fluxul 15 cu turbulenţă dezvoltă o mişcare axială inversă în interiorul centrului acestei camere 8, unde se extinde şi absoarbe excesul de energie prin forţe vâscoase cu straturi de gaze periferice, astfel încât debitul axial invers al gazelor de evacuare este răcit.

Gazul care iese din capătul cald al tubului vortex 2 poate fi în jur de 190°C, iar gazul care iese din capătul rece poate fi în jur de 50°C. Mecanismul de lucru al tubului vortex 2 poate fi observat fizic, dar este dificil de explicat, deoarece nu există o explicaţie ideală pentru acest fenomen. Paradoxul acestui efect este acela că forţele centrifuge într-un flux vortex rotativ sunt direcţionate către centrul conductei. După cum se ştie din fizică, straturile mai calde de gaz sau lichid au o densitate mai mică şi se ridică în sus, şi în cazul forţelor centrifuge, tind spre centrul fluidului, iar straturile cele mai reci având o densitate mai mare, tind spre periferie. Între timp, la o viteză mare a fluxului de rotaţie, totul se întâmplă invers [A.Ф. Гутсол, Эффект Ранка, Успехи физических наук, 1997, т. 167, № 6, pag. 665-687. http://www.mathnet.ru/links/fda6a1505595716c17ed9b1ff3d4c1d1/ufn1336.pdf]. Deoarece este imposibil să se explice efectul utilizat în soluţia tehnică propusă, prezenţa sa va fi demonstrată prin testele reale descrise în presa deschisă de cercetători din diferite ţări.

Samira Mohammadi & Fatola Farhadi [Samira Mohammadi, Fatola Farhadi, Experimental and numerical study of the gas-gas separation efficiency in a Ranque-Hilsch vortex tube Separation and Purification Technology, Volume 138, 10 December 2014, pag. 177-185. https://kundoc.com/pdf-experimental-and-numerical-study-of-the-gasgas-separation-efficiency-in-a-ranque.html] au investigat experimental separarea gazelor în Ranque-Hilsch Vortex Tube pentru amestecul de gaz propan lichefiat N2, în care densitatea azotului este mai mică de două ori decât densitatea gazului propan lichefiat. Atunci când presiunea specifică a amestecului de gaze la intrarea tubului Ranque-Hilsch Vortex Tube este de 236,37 kPa (2,34 bar) şi fracţia molară a gazului propan lichefiat la intrare este de 22%, cea mai mare eficienţă de separare pentru gazul propan lichefiat din amestecul de gaz propan lichefiat, obţinut pentru gazul propan lichefiat este de 79% N2 la ieşirea din gazul fierbinte şi 21% la ieşirea din gazul rece CF=0,76, unde CF este fracţiunea fluxului de gaz rece la ieşirea la fluxul de gaz de intrare. Gazul propan lichefiat este un amestec de componente de hidrocarburi, cu 85%, care constă din C4+ - (izo-butan (C4H10)) cu o densitate de 2,51 kg/m³ şi N2 este azotul de 1,250 kg/m3.

În acest experiment, a fost obţinută o confirmare convingătoare a eficienţei separării gazelor pentru un amestec de gaze de densităţi diferite la o presiune a gazului la intrarea în Ranque-Hilsch Vortex Tube identică cu presiunea gazelor de eşapament a unui motor cu ardere internă, prin urmare, folosind tubul vortex este posibilă separarea gazelor toxice din fluxul de gaze de evacuare mai grele decât azotul, cu densitatea ρ(N2)=1,25 kg/m³, ponderea de eşapament 74-77% [В. В. Алферович, Токсичность двигателей внутреннего сгорания: учебно - методическое пособие для студентов специальности 1-37 01 01 «Двигателей внутреннего сгорания» дневной и заочной форм обучения: v 2 ch. 1: Анализ состава отработавших газов - Minsk: BNTU, 2016. pag. 54 https://ru.b-ok2.org/book/3634134/b7d799]:

- oxid de azot (NO2) - ponderea în flux este aprox. 0,5%, foarte toxic, ρ(NO2)=2,05 kg/m3;

- hidrocarburi, cota de evacuare în jurul 0,2%. Compuşii de hidrocarburi au un efect carcinogen. Hidrocarbura aromatică de benzopiran este în special carcinogenă, ρ(C20H12) =1240 kg/m³ - toxic;

- aldehide - proporţia din gazele de eşapament 0,005%. Densitatea aldehidei benzoale ρ(R-CHO) = 1041,5 kg/m3 - toxic;

- dioxid de sulf (SO2) - ponderea în flux este aprox. 0,05%, toxic, ρ(SO2)=2,63 kg/m3.

În tubul vortex a dispozitivului propus, gazele toxice sunt eliminate din fluxul de gaze de evacuare şi trimise în camera de ardere a motorului cu ardere internă în regim de recirculare.

Pentru a demonstra eficienţa separării solide de gazele de evacuare în tubul Ranque-Hilsch Vortex Tube, utilizăm rezultatele experimentului realizat de Kap-Jong [R. Kap-Jong, K. Jung-soo, and C. In-Su, Experimental Investigation on Dust Separation Characteristics of a Vortex Tube. JSME International Journal, 47(1), pag. 29 - 36, 2004]. Ei investighează caracteristicile de separare a particulelor într-un tub cu turbulenţă contra curent, folosind pulbere de var (densitatea CaO este de 3,35 g/cm3) cu un diametru mediu al particulelor de 5 µm şi 14 µm. Rezultatele lor au arătat că, odată cu creşterea presiunii şi a debitului la intrare, eficienţa de separare pentru particulele de pulbere mai mari scade, dar creşte pentru particule de pulbere fine. Au constatat că eficienţa separării de 93% poate fi obţinută la o viteză de intrare de Vi=14,52 m/s. În acest experiment, se confirmă ferm despre eficienţa separării particulelor în tubul Ranque-Hilsch Vortex Tube în condiţii de turbulenţă contra curent.

Pentru a confirma aplicabilitatea lucrării la soluţia tehnică propusă vom calcula viteza gazelor de eşapament ale motorului diesel la intrare în dispozitivul propus.

Motor cu ardere internă diesel de putere medie PGE=138 CP (101,5 kW) cu diametrul tubului Vortex D=0,06 m (suprafaţa secţiunii St=2,83·10-3 m2), presiunea gazelor de evacuare care intră în conductă este HGE = 2,5 bar şi volumul de gaze de eşapament - Qeg=0,45 m3/s [Petrov O. Calculation of parameters of exhaust gas of the vehicle with the engine of the medium statistical capacity, Romania, Revista Ingineria automobilului, Nr. 49/ decembrie 2018, pag. 18-20. http://siar.ro/wp-content/uploads/2018/12/rIA-49_2018.pdf] în tubul Ranque-Hilsch Vortex Tube în prezenţa unui electrod de impulsuri cu diametrul dş =1cm (suprafaţa secţiunii transversale Sş = 78,5·10-6 m2) are viteza fluxului gazelor:

vi=Qeg/(St- Sş)/Peg (1),

vi=0,45/(2,83·10-3-78,5·10-6)/2,5

vi=65,42 (m/s).

Aşa cum s-a indicat mai sus, cu creşterea presiunii şi a debitului la intrare, eficienţa separării particulelor fine ale pulberilor creşte. În consecinţă, pentru particulele solide mai mici, cu o dimensiune de până la 1 micron, cu o viteză de curgere calculată vi = 51,8 m/s, eficienţa îndepărtării particulelor solide din debitul gazelor de evacuare va fi mai mare decât în experimentul efectuat de Kap-Jong şi colab [R. Kap-Jong, K. Jung-soo and C. In-Su, Experimental Investigation on Dust Separation Characteristics of a Vortex Tube. JSME International Journal, 47(1), p. 29-36, 2004].

Pentru a demonstra eficienţa separării particulelor solide de la gazele de eşapament în tubul Ranque-Hilsch Vortex Tube cu ajutorul unui câmp electric, se calculează viteza de rulare a particulelor solide într-un câmp electric şi se compară cu timpul de rezidenţă a particulelor solide din tubul Ranque-Hilsch Vortex Tube.

Se determină viteza de deplasare a fluxului de gaze de evacuare vS de-a lungul spiralei electrodului de impuls în tubul vortex Ranque-Hilsch Vortex Tube. Dacă există trei duze în tub, ni = 3, cu un diametru di = 0,02 m (suprafaţa secţiunii Si = 0,314·10-3 m2):

vS=Qeg/(ni · Si )/Peg (2),

vS=0,45/(3 · 0,314·10-3)/2,5

vS=191,1 (m/s).

Acceptăm raportul L/D=9,3 [Abdolreza Bramo, Nader Pourmahmoud. A Numerical Study on the Effect of Length to Diameter Ratio and Stagnation Point on the Performance of Counter Flow Ranque-hilsch Vortex Tubees. Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 4(10): 4943-4957, 2010. https://pdfs.semanticscholar.org/9d1d/c105de2414e4e124b8fae7fba0bbe6f2afd5.pdf]. Pentru diametrul camerei de separare a energiei tubului vortex - DC = 0,06 m, lungimea tubului din camera de separare a energiei Ranque-Hilsch Vortex Tube va fi: LC = 0,56 m.

Distanţa dintre electrozii de impulsuri şi de ionizare - H (m) cu înălţimea benzii metalice a electrodului de ionizare - hS=0,0025 m şi diametrul ştiftului DS=0,01 m va fi:

H=DC/2-(hS+DS/2) (3),

H=0,06/2-(0,0025+0,01/2)=0,0225 (m)

H=0,0225 (m).

În camera de separare a energiei 8 a tubului vortex 2 este introdus electrodul de ionizare 7 metalic, în formă de spirală cu treapta de 1 cm, care are 50 de tururi de la începutul camerei de separare a energiei 8. Atunci când lungimea camerei de separare a energiei 8, cilindrice este de L=0,56 m, lungimea spiralei va fi puţin mai mare decât LS=9,42 m, prin urmare fluxul de gaze de eşapament fierbinţi în acestă cameră se va deplasa în câmpul de descărcare Corona al electrodului de ionizare 7 negativ cu viteza de mişcare a fluxului turbulent al gazelor de eşapament vS în perioada de timp t:

t=LS/vS (4),

t=9,42/191,1=0,049 (s).

Particulele de eşapament pentru motorină constau din particule submicronice cu un diametru de obicei de la 30 la 500 nm (0,03-0,5 µm) [David B. Kittelson Measurement of Engine Exhaust Particle Size Center for Diesel Research University of Minnesota presented at University of California, Davis 17 February 2000. http://dept.me.umn.edu/centers/mel/reports/dbkucdavis.pdf], cu o concentraţie maximă între 100-200 nm (0,1-0,2 µm). Densitatea efectivă a particulelor de funingine generată într-un motor diesel scade odată cu creşterea mărimii particulelor, de la 1200 kg/m3 la 30 nm (0,05 µm) la 300 kg/m3 la 300 nm (0,3 microni) [M. Matti Maricq, Ning Xu. The effective density and fractal dimension of soot particles from premixed flames and motor vehicle exhaust. Journal of Aerosol Science Volume 35, Issue 10, October 2004, Pages 1251-1274 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021850204000850].

Kap-Jong şi colab. [R. Kap-Jong, K. Jung-soo and C. In-Su, Experimental Investigation on Dust Separation Characteristics of a Vortex Tube. JSME International Journal, 47(1), p. 29-36, 2004], au realizat experimentul pentru corpurile solide cu o densitate de la două până la trei ori mai mare decât corpurile solide ale unui motor diesel, gazele de eşapament ne demonstrează că chiar şi cu o presiune relativ mică a gazelor de eşapament ale unui motor diesel, de ordinul a 2 - 2,5 bar şi secţiunea transversală a tubului Ranque-Hilsch Vortex Tube cu diametrul de 0,06 m din dispozitivul propus va fi suficient de eficient pentru a capta particule solide mai uşoare şi mai mici de 1 micron din fluxul de gaze de eşapament al motorului diesel.

Pentru o extracţie mai completă a particulelor solide din gazele de eşapament în soluţia tehnică propusă este utilizat un câmp electric. Viteza câmpului electric generat în dispozitivul propus de convertorul de creştere a tensiunii de impuls este aproximativ invers proporţională cu rădăcina pătrată a distanţei faţă de electrodul de impuls şi poate fi calculată folosind formula Landenburg [Bochkarev V.V. Teoreticheskie osnovy technologicheskich protsesov ohrany okrujaiuschei sredy. - Tomsk: izd. TPU, - 2002. pag. 96 http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/a/AMANANKOVA/Training%20activities/Processes%20and%20devices%20of%20environmental%20protection2/Tab/Бочкаре%20В.В.%20Теоретические%20осн.pdf], valabilă aproximativă pentru aer cu temperatură normală (m/sec):

ve=5,34·10- 7·Е/ (5),

unde: H - este distanţa dintre electrozii de impulsuri şi de ionizare, H=0,0225 m;

E - forţa câmpului electric, V/m.

Luăm raza electrodului de impulsuri 9 (pinul metalic rotund) - r1=0,005 m, iar raza interioară a electrodului de ionizare 7 (spirală metalică) - r2=0,0275 m. Alegem convertorul de creştere a tensiunii de impuls 10 cu o tensiune de impuls de US=25 kW. Determinăm puterea câmpului electric Emax0 din camera de separare a energiei 8 conform formulei pentru calcularea câmpului electric al unui cablu coaxial:

Emax0=US/r1·ln(r2/r1) (6),

Emax0=25/(0,005ln(0,0275/0,005)

Emax0 =25/( 0,005 · 1,7047)=2 933 (kW/m)=29 (kW/см).

Valoarea rezultată este mai mică decât valoarea admisă a puterii maxime a câmpului electric pentru aer sau fum Emax=30 kW/cm.

Viteza câmpului electric ve(m/s) create în dispozitivul propus va fi, conform formulei:

ve=5,34 10-7·2 933·103/

ve=10,44 (m/s).

Când forţa câmpului electric în golul de descărcare dintre electrozii dispozitivului propus este Emax0=2 933 kW/m, iar fluxul de electroni cu o viteză ve=10,44 m/s va trece distanţa dintre electrozi în H=0,0225 m per te=0,0022 s. Prin urmare, când timpul de curgere al gazului de evacuare fierbinte prin camera de separare a energiei 8 în câmpul de descărcare Corona al electrodului negativ are mărimea de t=0,049 s, electronii pot încărca de 22,3 ori mai multe particule solide. Acest lucru va permite încărcarea calitativă a acestor particule din fluxul de gaze de evacuare fierbinţi în fluxul de gaze de evacuare reci.

Viteza particulelor solide încărcate vp derivă într-un câmp electric fără a ţine cont de proprietăţile lor dielectrice şi poate fi estimat prin metoda Vetoshkin A.G. [Vetoshkin A.G., Tarantseva K.R. - Технология защиты окружающей среды (теоретические основы), Пенза: Пензенский технологический институт, 2004. http://window.edu.ru/resource/888/36888/files/stup114.pdf].

Pentru particule mai mici de 1 micron:

vp1=0,17·10-11·Е/µ0 (7),

unde: E - este puterea câmpului electric, Emax0=2 933 kV/m;

meg - este vâscozitatea dinamică a gazului de eşapament µ, acceptam pentru azot la 600°C µ0= 3665·10-8 Pa·s [Динамика вязкости газов и паров, Справочник по схожествам веществ и материалов, http://thermalinfo.ru/svojstva-gazov/gazy-raznye/dinamicheskaya-vyazkost-gazov-i-parov], deoarece cota de azot din gazul de eşapament este de aproximativ 77%.

vp1=0,17·10-11·2,933·106/3665·10-8

vp1= 0,136(m/s).

În consecinţă, în timpul t=0,071 s de expunere sub acţiunea unui câmp electric, particulele solide cu dimensiuni mai mari de 1 micron vor dobândi până la 80% din sarcină şi cu o viteză de derivaţie Vp1 = 0,136 m/s, trec din centrul fluxului de gaze fierbinţi H/4 = 0,0056 m de la debit fierbinte la debit rece cu timpul deplasării tD1=0,041 s de 1,7 ori.

Pentru particule mai mari de 1 micron r=2 µm:

vp2=10-11·Е2r/µ0 (8),

vp2=10-11·(2,933·106)2·2·10-6/3665·10-8

vp2=4,69 (m/s).

În consecinţă, în timpul t=0,071 s de expunere sub acţiunea unui câmp electric, particule solide cu dimensiuni mai mari de 1 micron cu o viteză de derivaţie Vp2=4,69 m/s, trec din centrul fluxului de gaze fierbinţi H/4=0,0056 m de la debit fierbinte la debit rece cu timpul deplasării tD2=0,0012 s de 59,2 ori.

Având în vedere turbulenţa fluxului vortex a gazelor de eşapament, se poate aştepta ca câmpul electric să se mărească în mod semnificativ cu o eficienţă de îndepărtare a particulelor solide cu dimensiuni mai mici de 1 micron faţă de fluxul gazelor de evacuare în plus faţă de ieşirea particulelor datorită efectului separării energiei de vârf a conductei Ranque-Hilsch Vortex Tube.

Rezultatele de Kap-Jong şi colab. [R. Kap-Jong, K. Jung-soo and C. In-Su, Experimental Investigation on Dust Separation Characteristics of a Vortex Tube. JSME International Journal, 47(1), p. 29-36, 2004] au arătat că, odată cu creşterea presiunii şi a debitului la intrarea tubului vortex, eficienţa de separare pentru particulele de pulbere mai mari de D=5 µm scade, dar creşte pentru particule de pulbere fine. Au constatat că eficienţa de separare de 93% poate fi obţinută la o viteză de intrare de Vi=14,52 m/s.

vi=65,42 (m/s).

Rezultatele calculului au arătat validitatea utilizării unui câmp electric pentru îndepărtarea particulelor solide mari cu dimensiuni mai mari decât D = 5 µm din fluxul de gaze de eşapament dintr-un tub vortex. De atunci, Kap-Jong şi colab [R. Kap-Jong, K. Jung-soo and C. In-Su, Experimental Investigation on Dust Separation Characteristics of a Vortex Tube. JSME International Journal, 47(1), p. 29-36, 2004] au arătat că odată cu creşterea presiunii la intrarea în tubul vortex, prin urmare, creşte şi viteza de curgere peste Vi=14,52 m/s, eficienţa de separare a particulelor mai mari decât D=5 µm scade, iar eficienţa de separare a particulelor mai mici creşte. În acel moment, în soluţia tehnică propusă, cu o viteză a fluxului peste Vi=65,42 m/s, câmpul electric face posibilă îndepărtarea particulelor mari (r=2 µm) de peste 30 de ori mai eficient, cu dimensiunea mai mică decât D=1 µm.

Să verificăm dacă apare descărcarea Corona pe electrodul de impulsuri la tensiunea selectată convertorului de creştere a tensiunii de tip impuls.

Descărcarea Corona are loc la o anumită forţă de câmp. Această valoare se numeşte intensitate critică şi pentru polaritatea negativă a electrodului poate fi determinată prin formula empirică:

(9),

unde r - este raza electrodului de ionizare, r=0,0275 m;

β - este raportul dintre densitatea gazului în condiţiile de operare şi densitatea gazului în condiţiile standard (t=200С; р=1,013·105 Pa):

β=(B+pr(273+20))/(1,013·105(273+t)) (10),

unde B - este presiunea barometrică, Pa;

pr - este vid sau presiunea absolută a gazelor, Pa;

β=(1,013·105+2,026·105(273+20))/(1,013·105(273+600))

β=8,94.

Formula (9) este destinată aerului, dar cu oarecare aproximativitate poate fi utilizată şi pentru gazele arse:

Ecr=3,04(8,94+0,0311 )·106

Ecr=2 888 (kW/m).

Deci, într-un tub vortex, forţa câmpului Emax0= 2 933 kW/m este mai mare decât forţa critică a câmpului Ecr=2 888 kW, prin urmare, sunt îndeplinite condiţiile pentru asigurarea unei descărcări Corona cu convertorul de creştere a tensiunii de impuls 10 utilizată.

Să determinăm, de asemenea, energia necesară pentru încălzirea aerului cu bujii incandescente tipice pentru autovehicule, până la temperatura de aprindere a funinginii şi benzopirinei, pentru arderea acestuia.

Datele tehnice ale bujiilor incandescente de tip CY 55 [Замена свечей накалывания, Автоспецалист плюс Nr. 7, март 2014, Ежемесячный образовательный журнал Ассоциация EUROAUTO. http://www.autospecialist.info/wpcontent/uploads/2013/10/6nox14-ypox-26-Tex-o6cmpm4Barme-3amena-cBeiteii-naxam.pdf]: tensiune: U=11 V; rezistenţă: R=0,5 Ω. Patru bujii incandescente n=4 consumă energie:

P=I2·R·n (11),

unde, curentul care trece prin bujia incandescenta: I=U/R=11V/0,5 Ω=22 A.

Р=222·0,5·4=968 (W).

Funinginea se aprinde la 550°C. Acceptăm temperatura de încălzire a aerului pentru arderea funinginii cu o marjă de T2=600°C.

Atunci când căldura este transferată în aer de către suprafaţa incandescentă încălzită, aerul de curgere va fi încălzit ca într-un încălzitor electric, pentru a încălzi un metru cub de aer de curgere L1=1,0 m³/h, luând în considerare pierderile de energie în timpul transferului de căldură, folosim, ca o primă aproximaţie, formula [Calculul cantităţii de căldură pentru a încălzi aerul, online, http://tgvsa.com/ru/kalorufer.html; Инженерная помощь, Информационный портал http://helpeng.m/programs/ventilation/water heater.php]:

Q=L1·ρ·с·(Т2-Т1) (12),

unde ρ - este densitatea aerului, valoarea standard la nivelul mării în conformitate cu atmosfera standard internaţională este valoarea ρ = 1,225 kg/m³, care corespunde densităţii aerului uscat la 15°C şi presiunii de 101,33 kPa;

c - este căldura specifică a substanţei în J/(kg·K). Capacitatea de căldură specifică în masă a aerului uscat este de 1 kJ/(kg·K)=0,24kcal/(kg·°C).

Q = 1 m³/h·1,225 kg/m³·0,24 kcal/(kg·°C)·(600°C-20°C)

Q =170,5 kcal/h.

Deoarece 1 kcal=1,163 (W), puterea electrică necesară va fi P1=198,3 (W/h). Pentru încălzirea 1m3 de aer timp de 1 s, este necesară o putere Ql=713,9 (W). Cu puterea totală a bujiilor incandescente de Pb=968 W timp de 1 s, ele pot încălzi de la T1=20°C la T2=600°C

L=Pb/Ql (13),

L=968/713,9=1,35 (m3/s).

La mersul în gol cu turaţia de 600 rot./min, un motor diesel în 4 timpi, cu o capacitate cilindrică de 2,0 cm3 absoarbe 150 m3 de aer. În cazul în care 20% din cantitatea de aer introdusă de un motor diesel la recircularea gazelor de eşapament, aceasta va ajunge la 0,5 m3/s, prin urmare combustia fiabilă a particulelor solide (funingine) în elementul filtrant 1 poate fi asigurată cu un număr mai mic de bujii incandescente.

Informaţii care confirmă posibilitatea realizării invenţiei.

Dispozitivul propus are dimensiuni comparabile cu dimensiunile conductelor sistemului de evacuare a gazelor de eşapament ale automobilului şi pot fi uşor încorporate în ansamblul motorului cu ardere internă. Tubul vortex utilizat, reprezintă un tub cilindric cu o cameră de separare a energiei 8 şi o cameră 4 cu duze, fixate rigid. În calitate de cablu de înaltă tensiune sunt utilizate firele de înaltă tensiune ale bujiilor. Există mulţi producători de tuburi vortex, în lume sunt produse astfel de tuburi în serie, de aceea costul variază între 30 şi 150 de dolari SUA. Este de aşteptat că fabricarea tubului pentru dispozitivul propus necesită aproximativ 50-100 de dolari SUA, luând în considerare costul de fabricare a conului dielectric al valvei conice, plasată pe capătul cald al tubului vortex 2 cu acţionare electrică, care permite reglarea fluxului gazelor de eşapament îndreptate către conducta de recirculare a gazelor. Convertorul de creştere a tensiunii de impuls poate fi confecţionat pe celebrul cronometru 555 (tip KR1006V1, un analog al modelului NE555) - unul dintre cele mai răspândite. Datorită construcţiei simple, dispozitivul nu necesită aproape nicio ajustare şi are o eficienţă înaltă. Programatorul este conectat în funcţie de circuitul generatorului de impulsuri şi de circuitul de reglare a frecvenţei şi este reglat la o frecvenţă de 27 kHz şi conectat la înfăşurarea anodică a unui transformator în linie diodă-cascadă, care produce o tensiune de alimentare a celui de-al doilea anod al kinescopului 25-30 kV. Alimentarea sursei de curent de impuls de înaltă tensiune este de 12 V la un curent de 2 A, această sarcină va fi aprovizionată de bateria de acumulatoare a automobilului, precum şi de elementele de încălzire electrice 13 (bujii incandescente).

Convertorul de creştere a tensiunii de impuls 10 consumă aproape 30-35 W şi produce tensiunea la ieşire 25 - 30 kV. Electrodul de ionizare 7 este executat în formă de spirală introdusă în camera de separare a energiei 8 al tubului vortex 2 la o distanţă de 22,5 mm de la electrodul de impulsuri 9, executat în formă de ştift metalic rotund.

Costul tranzistorului IRF630 nu depăşeşte 1 Euro, analogul KR1006V1 IC NE555 este de aproximativ 0,2 Euro.

În total, punerea în aplicare a dispozitivului propus poate fi estimată la 60-100 de Euro. Prin urmare, costul aşteptat al dispozitivului pentru recircularea şi epurarea gazelor de eşapament de fracţii solide şi gaze toxice ale motorului cu ardere internă pentru autoturisme este comparabil cu costul unui filtru de particule al motorului diesel şi mai mic decât costul agentului de curăţire catalitic. În plus, utilizarea dispozitivului propus exclude supapa de recirculare a gazelor de eşapament (Exhaust Gas Recirculation EGR) din sistemul de recirculare a gazelor de eşapament, deoarece funcţia sa de a regla fluxul de gaze de evacuare în sistemul de recirculare este realizată de valva conică 5 acţionată de bobina 11. Un alt avantaj important este posibilitatea de a crea un debit de aer recirculat încălzit pentru regenerarea eficientă a elementului filtrant 1 de particule solide, fără a necesita înlocuirea elementului filtrant 1 sau utilizarea unui mod special de funcţionare a motorului cu ardere internă, aşa cum se face cu restabilirea activă a elementului filtrant 1, prin distrugerea particulelor solide (funingine, carbon) din elementul filtrant 1 unit prin conducta de recirculare a gazelor cu colectorul de admisie al motorului cu ardere internă la temperaturi înalte cu exces de aer.

Principalul efect al dispozitivului propus este curăţirea profundă a gazelor de eşapament de particule solide (funingine şi benzopirina) până la particule cu un diametru mai mic de 50 nm, ceea ce reduce riscul de cancer, poluarea mediului, prin arderea gazelor toxice în camera de ardere a motorului cu ardere internă, precum şi reducerea emanării acestora.

Având în vedere cele expuse mai sus, dispozitivul dat poate fi realizat din punct de vedere tehnic şi utilizat în industrie, fiind capabil să recupereze costurile de implementare, adică satisface criteriul de aplicabilitate industrială.

1. SU 213462 A1 1967.11.30

2. US 6460520 B1 2002.10.08

3. RU 2349782 A 2008.05.20

4. US 2012125300 A1 2012.05.24

5. RU 2506447 A 2012.10.27

Claims (1)

1. Dispozitiv pentru recircularea şi epurarea gazelor de eşapament de fracţii solide şi gaze toxice ale motorului cu ardere internă, care conţine o cameră (4), intrarea căreia este unită printr-o conductă de evacuare a gazelor de eşapament cu un colector de evacuare al motorului cu ardere internă, iar ieşirea ei este unită cu intrarea unui element filtrant (1) prin intermediul unei diafragme (3) plasate la capătul rece al unui tub vortex (2), elementul filtrant (1) fiind unit printr-o conductă de recirculare a gazelor cu un colector de admisie al motorului cu ardere internă, totodată camera (4) este dotată cu duze direcţionate tangenţial peretelui interior al unei camere de separare a energiei (8) a tubului vortex (2), format dintr-un electrod de ionizare (7) metalic, executat în formă de spirală, şi un electrod de impulsuri (9) metalic, fixat de capătul unei tije conductoare (6) acoperită cu un strat izolant, care comunică cu o valvă conică (5) acţionată de o bobină (11) şi plasată pe capătul cald al tubului vortex (2), pe care este montată o cameră, unită cu o tobă de eşapament; tija conductoare (6) este conectată la un convertor de creştere a tensiunii de impuls (10), conectat la o baterie de acumulatoare, la care este conectată şi bobina (11) prin intermediul unei unităţi de comandă (12) a motorului cu ardere internă; elementul filtrant (1) este dotat cu elemente de încălzire electrice (13), conectate prin intermediul unui releu (14) la bateria de acumulatoare, releul (14) fiind unit cu unitatea de comandă (12) a motorului cu ardere internă.