SOME REGULARITIES OF SOOT FORMATION IN CYLINDERS OF MARINE DIESELS
Authors:
1.
Baltic State Academy of Fishing Fleet of FSBEI HPE "Kaliningrad State Technical University"
2.
Baltic State Academy of Fishing Fleet of Kaliningrad State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 83
to 88
Status:
Published
Received:
20.08.2014
Accepted:
25.08.2014
Published:
25.08.2014
Subject area:
UDK 621.436
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
marine diesel engines, soot formation regularities
Abstract (English):
The conditions for the formation of soot in the cylinders of marine diesels with the volumetric method of mixing are analyzed. Based on the literature reports it was noted that in the jet sprayed fuel over the cross section and length inhomogeneous distribution of fuel droplets is observed. Quantity and temperature of the air in the fuel jet as it approaches the axis decreases and the droplet diameter is increased by several times. Intense heating of the fuel in the jet environment (after the start of combustion) is accompanied by the formation of soot with a lack of air. In order to establish the patterns, the experiments were conducted on 1-cylinder engine compartment of type Ч 17,5/24 (NVD24). The experimental results are processed relative to the power indicator and the groups of the parameters B , C and D , taking into account the effect of the diameter and number of nozzles, fuel pressure, fuel properties, excess air ratio, medium pressure and temperature of the working medium in the cylinder of the diesel engine. Their influence on the formation of soot is fixed.
The conditions for the formation of soot in the cylinders of marine diesels with the volumetric method of mixing are analyzed. Based on the literature reports it was noted that in the jet sprayed fuel over the cross section and length inhomogeneous distribution of fuel droplets is observed. Quantity and temperature of the air in the fuel jet as it approaches the axis decreases and the droplet diameter is increased by several times. Intense heating of the fuel in the jet environment (after the start of combustion) is accompanied by the formation of soot with a lack of air. In order to establish the patterns, the experiments were conducted on 1-cylinder engine compartment of type Ч 17,5/24 (NVD24). The experimental results are processed relative to the power indicator and the groups of the parameters B , C and D , taking into account the effect of the diameter and number of nozzles, fuel pressure, fuel properties, excess air ratio, medium pressure and temperature of the working medium in the cylinder of the diesel engine. Their influence on the formation of soot is fixed.
Keywords:
marine diesel engines, soot formation regularities
marine diesel engines, soot formation regularities
Введение Как известно, в отработавших газах судовых дизелей содержится ряд токсичных составляющих: оксид углерода, окислы азота, углеводородные соединения, альдегиды, сажа (С). Токсичные составляющие загрязняют окружающую среду и оказывают вредное воздействие на её состояние. Предельно допустимая концентрация сажи составляет С = 0,000 038 мг/л. С целью снижения количества сажи и её вредного воздействия на окружающую среду, а также сокращения расхода топлива (потери от недогорания) необходимо установить зависимости, отражающие влияние действующих факторов на её образование в цилиндрах дизелей. Условия образования углерода (сажи) Судовые двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия (дизели) имеют преимущественно струйный (объёмный) способ смесеобразования. При таком способе из каждого соплового отверстия вытекает струя распыленного топлива с неоднородным распределением капель по сечению и длине, а также с неравномерной концентрацией воздуха. Если на поверхности топливных струй располагаются наиболее мелкие капли, которые в первую очередь отделяются, затормаживаются и испаряются, то по мере приближения к оси и фронту струи концентрация топлива и диаметр капель растут, а количество воздуха и его температура уменьшаются [1, 2]. Вследствие этого необходимое условия для самовоспламенения топлива (количество воздуха и высокая температура к концу сжатия) складываются только на поверхности топливных струй. Как известно, первичные очаги пламени образуются в период топливоподачи в нескольких точках на поверхности каждой топливной струи в начальной, приближенной к сопловому отверстию, части. От первичных очагов пламя распространяется по наружной поверхности топливных струй и в течение короткого интервала времени (около 0,6 м/с) охватывает всю поверхность, включая головную часть. Происходит прогрев топливно-воздушной смеси в струе. Следовательно, поверхность топливных струй является границей, через которую осуществляется тепломассообмен. Внутри топливных струй, при недостатке воздуха, создаются условия для образования сажи. В качестве показателя, характеризующего качество распыливания топлива, можно применить [3]: Kp∑ = Fф∑/gц , где FфΣ - суммарная площадь поверхности топливных струй в конце процесса топливоподачи, gц - цикловая подача топлива. Чем больше сопловых отверстий в распылителе (распылителях при нескольких форсунках в цилиндре), чем выше давление впрыскивания топлива и чем меньше диаметр сопловых отверстий (при прочих равных условиях и постоянной цикловой подаче), тем больше FфΣ и КрΣ. В этом случае относительно большее количество топлива будет находиться вблизи поверхностного слоя, быстрее будет протекать процесс сгорания. При этом снизится относительное количество топлива, расположенное в зонах с минимальным коэффициентом избытка воздуха при сгорании, а время его нахождения сократится. Применение тяжёлого топлива, содержащего большое количество ароматических углеводородов, сопровождается укрупнением капель при распыливании и, следовательно, увеличением относительного количества топлива, находящегося в зонах с недостатком кислорода. Процесс образования сажи при сгорании топлива условно разделяется [4] на три основные фазы: образование зародыша, рост зародышей в частицы сажи, коагуляция первичных сажевых частиц. Скорость образования сажи определяется скоростью химических процессов, приводящих к возникновению зародыша (т. е. кинетикой процесса). Схема возможных механизмов (путей) образования сажи, согласно [4], показана на рис. 1. Рис. 1. Схема возможных механизмов образования сажи При относительно низких температурах (менее 1500 К) преобладают реакции полимеризации и конденсации над реакциями дегидрогенизации. В этих условиях зародышами могут быть ароматические или полициклические соединения. При мгновенных температурах 2000-3500 К, [4, 5], соответствующих процессу сгорания в двигателях, происходит распад молекул. Рядом экспериментальных исследований [4, 5] установлены концентрации окислителя (коэффициент избытка воздуха при сгорании α), при которых начинается выделение сажи из пламени. Величина α зависит от многих факторов (температуры и давления рабочего тела, качества топлива и качества его распыливания) и составляет 0,33-0,6 (рис. 2). С увеличением температуры начало образования сажи сдвигается в сторону более богатых топливовоздушных смесей, а с увеличением давления - в сторону более бедных смесей. Установлено, что образование сажи зависит от свойств топлива. Чем выше молекулярная масса предельных и непредельных углеводородов с прямыми цепями, тем выше скорость образования сажевых частиц. Установлена также взаимосвязь между содержанием серы в топливе с составом сажи. Так, при сжигании топлива с концентрацией серы 0,05 %, её количество в нагаре - 0,7 %, а при увеличении сернистости топлива до 1 % количество серы в отложениях - 2,4 %. Отмечается, что до 50 % отложений растворяются в сероуглероде, что говорит о наличии ароматических колец и карбонильных групп. Наблюдается явление, когда при большой нагрузке топливо, богатое ароматическими углеводородами, даёт меньше дыма, чем топливо, имеющее в своем составе парафины. Это связано с более длительным периодом задержки воспламенения топлива с ароматическими углеводородами, из-за чего смесь в камере сгорания до начала воспламенения становится более гомогенной [4]. Рис. 2. Изменение концентрации сажи в зависимости от коэффициента избытка воздуха и среднемассовой температуры газов в цилиндре [5] В процессе и после образования сажевых частиц происходит их выгорание в реакциях с гидроксильными группами и кислородом. В дизелях в основном происходит прямое окисление сажи. Скорость выгорания сажи зависит от размеров частиц (поверхности). Было определено [4], что имевшаяся в пламени сажа может выгореть только в том случае, если размеры частиц не будут превышать 100 Аº. Исследования образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля, выполненные методом спектрального анализа, показали, что значительная часть сажи выгорает в процессе расширения [5]. Выделение сажи с отработавшими газами дизеля зависит как от процесса образования, так и от процесса её выгорания. С увеличением турбулентности в цилиндре дизеля скорость выгорания увеличивается. Образование сажи в дизелях может происходить также при попадании струй топлива на сравнительно холодные стенки цилиндра. Экспериментальное исследование С целью выяснения закономерностей образования сажи проведены эксперименты по нагрузочной характеристике на двигателе 1Ч 17,5/24 (NVD24) с применением дизельного топлива ГОСТ 305-82. Для измерений применялся дымомер «Смог-1». Переход от измеряемой дымности к эмиссии сажи в г/(кВт ∙ ч) осуществлялся с учётом результатов измерений расхода воздуха и зависимости, предложенной научно-исследовательским центром MIRA (Великобритания): С = 10-6 × N3-2 × 10-5 × N2 + 2,4 × 10-3 × N + 0,0041, где N - показатель дымности отработавших газов, замеряемый дымомером, %; С - концентрация сажи в отработавших газах, г/м3. Результаты обработки представлены на рис. 3. Рис. 3. Изменение эмиссии углерода при работе отсека по нагрузочной характеристике Графическая зависимость с помощью программы MS Excel преобразована в математическую по методу наименьших квадратов с достоверностью R2 = 0,98. C = - 8 × 10-5 × Ni3 + 0,003 × Ni2 - 0,0363 × Ni + 0,2311. Однако такая зависимость раскрывает только качественную закономерность, не учитывающую в явном виде влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на характеристики процессов распыливания и сгорания топлива. В частности, не учитывается влияние диаметра и количество сопловых отверстий в распылителе, количество форсунок в цилиндре, давление топливоподачи, характеристика топлива, коэффициент избытка воздуха при сгорании, давление в цилиндре в период сгорания. Для нахождения количественных зависимостей, учитывающих влияние вышеприведенных факторов, полученные экспериментальные данные были обработаны с применением показателей качества распыливания, смесеобразования и сгорания топлива в соответствии с моделью процессов, изложенной в [3] и [6]. После обработки с их учётом графическая зависимость принимает следующий вид (рис. 4). Рис. 4. Влияние характеристик процессов смесеобразования и сгорания на эмиссию сажи с отработавшими газами С уменьшением суммарной величины произведения групп параметров (B, C, D) на режимах частичных нагрузок количество сажи в отработавших газах увеличивается, а с увеличением - снижается. Влияние групп параметров B, C, D на содержание сажи в отработавших газах может быть описано зависимостью, близкой к линейной. Аппроксимация проводилась в программе MS Excel по методу наименьших квадратов. Достоверность аппроксимации составила R2 = 0,9814. С = - 0,123(B, C, D) + 0,1884, где B, C, D - группы параметров, характеризующих влияние диаметра и количества сопловых отверстий, количества форсунок в цилиндре, давления топливоподачи, характеристик топлива, коэффициента избытка воздуха при сгорании, среднего давления и среднемассовой температуры рабочего тела в цилиндре дизеля. Заключение Как видно из представленных данных, использованные при обработке показатели качества протекания процессов распыливания, смесеобразования и сгорания отражают закономерность изменения содержания углерода в отработавших газах дизеля. Таким образом, группы параметров B, C, D, учитывающие влияние ряда конструктивных и эксплуатационных факторов на процессы распыливания, смесеобразования и сгорания, могут применяться для исследования процессов образования сажи на этапах проектирования и эксплуатации.
1. Voznickiy I. V. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoraniya / I. V. Voznickiy, A. S. Punda. M.: Morkniga, 2010. 382 s.
2. Markov V. A. Vpryskivanie i raspylivanie topliva v dizelyah / V. A. Markov, S. A. Devyanin, V. I. Mal'chuk. M.: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana, 2007. 360 s.
3. Odincov V. I. Rabochiy process sudovyh DVS / V. I. Odincov. Kaliningrad: Izd-vo BGARF, 2010. 141 s.
4. Broze D. D. Sgoranie v porshnevyh dvigatelyah / D. D. Broze. M.: Mashinostroenie, 1969. 247 s.
5. Kavtaradze R. Z. Teoriya porshnevyh dvigateley. Special'nye glavy: ucheb. dlya vuzov / R. Z. Kavtaridze. M.: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana, 2008. 720 s.
6. Odincov V. I. Algoritm rascheta rabochego processa sudovyh dizeley s uchetom utechek rabochego tela / V. I. Odincov, A. S. Zubakov, M. K. Kornev // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2013. № 2. S. 131-136.
