ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСЛОВИЙ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ ДВС ПУТЕМ ОГРАНИЧЕНИЯ ВЫБРОСОВ ПРОДУКТОВ НЕПОЛНОГО СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
Авторы:
1.
Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет»
2.
Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота Калининградского государственного технического университета
Тип:
Статья
Страницы:
с 70
по 78
Статус:
Опубликован
Получено:
20.11.2016
Одобрено:
25.11.2016
Опубликовано:
25.11.2016
Классификаторы:
УДК 621.436
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
процессы смесеобразования и сгорания, топливные струи, содержание углерода в отработавших газах, характеристики смесеобразования и сгорания, удельный выброс углерода
Аннотация (русский):
С целью установления закономерностей изменения удельного выброса углерода с отработавшими газами проведены эксперименты на двигателях типа 1 Ч 17,5/24 (1 NVD-24) и 6 ЧН 12,8/15,5 (MAN D 2866), а также выполнен анализ экспериментальных данных двигателя 8 Ч 12/12 (КамАЗ 740.10). Результаты экспериментов обработаны относительно индикаторной мощности и комплекса показателей процесса сгорания ВСD , учитывающих влияние диаметра и количества сопловых отверстий, давления топливоподачи, свойств топлива, коэффициента избытка воздуха, параметров состояния рабочего тела в цилиндре дизеля. Установлено, что выбросы углерода с отработавшими газами в функции от индикаторной мощности линейно снижаются с ростом нагрузки во всем диапазоне, если струи топлива не попадают на холодные стенки камеры сгорания. При попадании топлива на стенки камеры сгорания удельные выбросы углерода растут также по закону, близкому к линейному. На основе результатов исследования внесено предложение при разработке новых двигателей и модернизации существующих давление впрыска и параметры распылителей подбирать таким образом, чтобы на режимах наибольшей топливоподачи исключить попадание топливных струй на холодные стенки камеры сгорания.
С целью установления закономерностей изменения удельного выброса углерода с отработавшими газами проведены эксперименты на двигателях типа 1 Ч 17,5/24 (1 NVD-24) и 6 ЧН 12,8/15,5 (MAN D 2866), а также выполнен анализ экспериментальных данных двигателя 8 Ч 12/12 (КамАЗ 740.10). Результаты экспериментов обработаны относительно индикаторной мощности и комплекса показателей процесса сгорания ВСD , учитывающих влияние диаметра и количества сопловых отверстий, давления топливоподачи, свойств топлива, коэффициента избытка воздуха, параметров состояния рабочего тела в цилиндре дизеля. Установлено, что выбросы углерода с отработавшими газами в функции от индикаторной мощности линейно снижаются с ростом нагрузки во всем диапазоне, если струи топлива не попадают на холодные стенки камеры сгорания. При попадании топлива на стенки камеры сгорания удельные выбросы углерода растут также по закону, близкому к линейному. На основе результатов исследования внесено предложение при разработке новых двигателей и модернизации существующих давление впрыска и параметры распылителей подбирать таким образом, чтобы на режимах наибольшей топливоподачи исключить попадание топливных струй на холодные стенки камеры сгорания.
Ключевые слова:
процессы смесеобразования и сгорания, топливные струи, содержание углерода в отработавших газах, характеристики смесеобразования и сгорания, удельный выброс углерода
процессы смесеобразования и сгорания, топливные струи, содержание углерода в отработавших газах, характеристики смесеобразования и сгорания, удельный выброс углерода
Введение Известно, что основными категориями опасностей при эксплуатации судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) рыбопромыслового флота являются перегрузка цилиндров по среднему индикаторному давлению, превышение тепловых нагрузок деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) из-за снижения коэффициента избытка воздуха при сгорании, обусловленного износом деталей ЦПГ, ухудшением технического состояния элементов систем наддува и газообмена, топливной аппаратуры, увеличением сопротивления движению судна. Рост сопротивления происходит в результате изменения осадки судна, обрастания подводной части корпуса и нарушения его геометрии, при встречном ветре и волнении. В результате дейтвия вышеперечисленных факторов нарушается протекание рабочего процесса относительно запроектированного заводом-строителем, что приводит к снижению надежности, перерасходу топлива и увеличению содержания вредных веществ в отработавших газах. Отложения сажи в газовыпускной системе вызывают увеличение ее аэродинамического сопротивления, снижают качество продувки цилиндров, а при налипании сажи на ротор турбонагнетателя нарушается его балансировка с быстрым выходом из строя подшипников [1]. При увеличении нагрузки на двигатель сажа, скопившаяся в газовыпускной системе, может воспламениться. Воспламенение отложений вызывает прогар коллекторов, повреждения утилизационных котлов вплоть до полного их выхода из строя [2]. Теоретическое исследование Как известно, наибольшее распространение в судовых ДВС получил струйный (объемный) способ смесеобразования, при котором объём заряда воздуха при положении поршня в районе верхней мертвой точки (ВМТ) распределен между отдельными топливными струями. В общем случае диаметры сопловых отверстий выполняются с некоторой погрешностью, которая увеличивается за счет их неравномерного износа при эксплуатации. Таким образом, из каждого соплового отверстия выходят топливные струи, отличающиеся геометрическими параметрами: длиной, углом конуса и шириной фронта. Каждая струя - это совокупность капель различного диаметра. Наиболее крупные капли, как было установлено в ходе исследований, проводившихся в Центральном научно-исследовательском дизельном институте (ЦНИДИ) еще в 70-е гг. [3], в лаборатории двигателей АН СССР и других организациях, располагаются на оси струи и в ее фронтальной части, причем их диаметр соответствует диаметру сопловых отверстий [4, 5]. Наиболее мелкие капли, расположенные в поверхностных слоях топливных струй, первыми затормаживаются, испаряются и воспламеняются. От первичных очагов пламя распространяется по всей поверхности топливных струй. В результате этого наблюдается продвижение горящего топливного факела из каждого соплового отверстия [4]. В очагах воспламенения и сгорания мгновенные температуры рабочего тела достигают примерно 3000 К (рис. 1) [6]. Рис. 1. Изменение температуры пламени (а) и температуры газов (б) по углу поворота коленчатого вала для двигателя ЧН24/36: 1 - при нагрузке 100 %; 2 - при нагрузке 80 %; 3 - при нагрузке 60 %; 4 - при нагрузке 40 % [6] От высокотемпературных зон пламя распространяется по всем направлениям и нагревает топливо, находящееся во внутренних слоях струй. В работах [7-9] установлено, что в качестве показателя, характеризующего качество распыливания топлива, можно применить отношение суммарной площади поверхности топливных струй к количеству содержащегося в них топлива: (1) где F - площадь поверхности струй топлива в конце процесса впрыскивания, м2; gц - цикловая подача топлива, кг. Так как расходы топлива через отдельные сопловые отверстия одного и того же распылителя существенно отличаются, как вследствие влияния конструктивных и технологических факторов, так и в результате их неравномерного изнашивания и закоксовывания, то показатель качества распыливания в двигателях с объемным способом смесеобразования можно представить в виде [7-9] (2) Показатель может применяться как для конца процесса топливоподачи, так и для отдельных его участков с учетом переменных значений числителя и знаменателя. При этом, чем больше отношение (2), тем быстрее происходит сгорание и прогрев несгоревшего топлива. Как показывают исследования, проведенные профессором Р. З. Кавтарадзе [10], скорость образования углерода для конкретного вида топлива зависит от коэффициента избытка воздуха при сгорании и температуры рабочего тела, что представлено на рис. 2. Рис. 2. Зависимость концентрации сажи Сс от коэффициента избытка воздуха αв и температуры в цилиндре Т [10] Характеристика изменения концентрации сажи в цилиндре по углу поворота коленчатого вала представлена на рис. 3. Рис. 3. Изменение концентрации сажи в цилиндре по углу поворота коленчатого вала [10] С увеличением давления топливоподачи растет отношение площади поверхности топливных струй к количеству содержащегося в них топлива и, следовательно (как это показано в работах [7-9]), приводит к сокращению продолжительности процесса сгорания и повышению в результате этого относительного действительного КПД (в соответствии с терминологией, предложенной академиком Б. С. Стечкиным [11]). Чем выше относительный действительный КПД, тем больше индикаторный КПД и, следовательно, меньше удельный расход топлива и эмиссия продуктов неполного сгорания. Это подтверждается в ряде работ [5, 12, 13], где установлено, что при давлении топливоподачи свыше 100-120 МПа средний диаметр капель слабо зависит от давления в форсунке. При этом дальнобойность топливных струй увеличивается до значения давления топливоподачи примерно в 80 МПа, после чего остается постоянной. Из вышеприведенного очевидно, что содержание углерода в отработавших газах зависит от качества процессов распыливания и смесеобразования, воздушно-топливного отношения в цилиндре, продолжительности процессов сгорания и расширения по времени. Главные двигатели судов рыбопромыслового флота работают в основном на винты регулируемого шага. При этом изменение мощности, как во время траловых операций, так и на свободном ходу, осуществляется преимущественно разворотом лопастей при постоянной частоте вращения коленчатого вала, т. е. по регуляторной характеристике. Следует заметить, что ряд фирм-изготовителей ДВС также проводят испытания при постоянной частоте вращения коленчатого вала. По регуляторной характеристике работают также судовые дизель-генераторы. Экспериментальное исследование С целью определения закономерностей, отражающих влияние ряда конструктивных и эксплуатационных факторов на содержание углерода в отработавших газах, в Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота были проведены эксперименты на двигателях 1Ч 17,5/24 (1NVD-24) и 6 ЧН 12,8/15,5 (MAN D 2866). Обработаны также материалы исследований двигателя 8 Ч 12/12 (КамАЗ 740.10), выполненные в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете [14]. Анализ полученных результатов проводился с учетом закономерностей процесса сгорания [7-9, 15], учитывающих влияние в явном виде следующих факторов: диаметра и количества сопловых отверстий, давления топливоподачи, коэффициента избытка воздуха при сгорании, параметров рабочего тела в цилиндре в период топливоподачи, частоты вращения коленчатого вала, физико-химических свойств применяемого топлива. На рис. 4-6 представлены экспериментальные данные по изменению выбросов углерода при работе двигателей по регуляторной характеристике в зависимости от развиваемой индикаторной мощности. На каждом рисунке по оси абсцисс отложена развиваемая индикаторная мощность в кВт, т. к. она характеризует процесс преобразования химической энергии топлива в механическую работу внутри цилиндра, поскольку учет механических потерь через эффективную мощность усложняет анализ в связи с различием характеристик изменения механического КПД в разных ДВС. По осям ординат отложены характеристики изменения коэффициента избытка воздуха при сгорании α, произведения показателей, характеризующих протекание процесса смесеобразования BCD и выбросы углерода с отработавшими газами в г/нм3 и в г/(кВт · ч). Как видно из представленных данных [14], для двигателя 1 Ч 17,5/24 (1 NVD-24) с уменьшением индикаторной мощности коэффициент избытка воздуха при сгорании α увеличивается, а комплекс характеристик процесса сгорания (BCD) уменьшается. Вследствие этого увеличиваются удельные выбросы углерода с отработавшими газами в г/(кВт · ч). Однако в связи с ростом коэффициента избытка воздуха при сгорании концентрация углерода, м3, приведенная к нормальному, уменьшается. Рис. 4. Экспериментальные данные по двигателю 1 Ч 17,5/24 (1 NVD-24) при частоте вращения коленчатого вала 630 об/мин (регуляторная характеристика) В двигателе 8 Ч12/12 (КамАЗ 740.10) наблюдается аналогичное изменение коэффициента избытка воздуха при сгорании [14], комплекса характеристик процесса сгорания (BCD), концентрации углерода в отработавших газах и его удельного выброса в г/(кВт · ч). Рис. 5. Экспериментальные данные по двигателю 8 Ч12/12 (КамАЗ 740.10) при частоте вращения коленчатого вала 2200 об/мин (регуляторная характеристика) [14] Однако если в двигателе 1 Ч 17,5/24 (1 NVD-24) закономерности изменения комплекса характеристик ВСD, удельного выброса и концентрации углерода близки к линейным, то в двигателе 8 Ч 12/12 (КамАЗ 740.10) наблюдается рост удельного выброса в диапазоне индикаторных мощностей 115-135 кВт, что объясняется, как показали расчеты, попаданием струй топлива на стенки камеры сгорания. В двигателе 6 ЧН 12,8/15,5 (MAN D 2866) комплекс характеристик процесса сгорания ВСD, коэффициента избытка воздуха α, концентрации углерода в отработавших газах и удельного выброса сажи изменяются более круто, начиная с индикаторной мощности в 100 кВт. Рис. 6. Экспериментальные данные по двигателю 6 ЧН 12,8/15,5 (MAN D 2866) В ходе расчетов было установлено, что, начиная с указанной мощности (100 кВт), струи топлива достигают стенок камеры сгорания, нарушая нормальное протекание процесса. На рис. 7 представлены зависимости выбросов углерода в г/(кВт · ч) от комплекса показателей процессов распыливания, смесеобразования и сгорания ВСD [15]. Рис. 7. Зависимость удельного выброса углерода от комплекса показателей ВСD при работе ДВС по нагрузочной характеристике Как видно из представленных данных, с ростом комплекса показателей BCD удельный выброс углерода в г/(кВт · ч) снижается, причем зависимость величины выброса от комплекса показателей BCD близка к линейной. Снижение выбросов наблюдается до тех пор, пока топливные струи не достигают стенок камеры сгорания. При достижении топливными струями стенок камеры сгорания удельный выброс углерода начинает расти, поскольку часть топлива перемешивается с воздухом по объемному механизму, а часть - по пленочному. Рост удельного выброса углерода объясняется тем, что стенки камеры сгорания относительно холодные, следовательно, условия испарения и протекания предпламенных реакций менее благоприятны. Заключение Анализ экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы: 1. В судовых ДВС, работающих по регуляторной характеристике, изменение выбросов углерода с отработавшими газами в функции от индикаторной мощности имеет линейный характер во всем диапазоне нагрузок, если струи топлива не попадают на холодные стенки камеры сгорания. 2. В случае попадания топлива на холодные стенки камеры сгорания закономерность с = f(Ni), начиная с момента достижения топливными струями стенок камеры сгорания, делится на 2 части, каждая из которых близка к линейной. 3. Аналогичная закономерность прослеживается относительно комплекса параметров BCD, характеризующих процесс сгорания. 4. С целью сокращения выбросов углерода, увеличения полноты сгорания и снижения расхода топлива, а также обеспечения безопасной эксплуатации ДВС необходимо назначать по возможности такие режимы работы и поддерживать техническое состояние деталей ЦПГ, топливной аппаратуры, систем наддува и газообмена, при которых выбросы углерода имеют минимальное значение. 5. При разработке новых двигателей и модернизации существующих давление впрыска и параметры распылителей следует подбирать таким образом, чтобы на режимах наибольшей топливоподачи исключить попадание топливных струй на холодные стенки камеры сгорания.
1. Межерицкий А. Д. Турбокомпрессоры систем наддува судовых дизелей. Л.: Судостроение, 1986. 248 с.
2. Soot Deposits and Fires in Exhaust Gas Boiler. URL: www.manbw.com.
3. Семёнов Б. Н., Лазурко В. П., Киреичев Г. А., Финогенов А. Н. Некоторые результаты исследования температурных полей факела распыленного топлива в объеме и при его взаимодействии со стенкой // Тр. ЦНИДИ. 1975. Вып. 68. С. 27-35.
4. Свиридов Ю. Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. Л.: Машиностроение, 1972. 244 с.
5. Гафуров Р. А., Глебов Г. А., Скворцов Ю. М. Исследование структуры дизельной топливной струи при циклическом впрыскивании методом импульсной голографии // Двигателестроение. 1996. № 3-4. С. 10-12.
6. Дьяченко Н. Х., Костин А. К. и др. Теория двигателей внутреннего сгорания / под ред. Н. Х. Дьяченко. Л.: Машиностроение, 1974. 552 с.
7. Одинцов В. И. Метод расчёта процесса тепловыделения в судовых ДВС с учётом влияния системы конструктивных факторов // Двигателестроение. 1989. № 11. С. 16-17.
8. Одинцов В. И. Метод расчёта продолжительности процесса сгорания в мало- и среднеоборотных ДВС с учётом влияния конструктивных факторов // Двигателестроение. 1990. № 4. С. 27-38.
9. Одинцов В. И. Рабочий процесс судовых ДВС. Калининград: Изд-во БГАРФ, 2010. 135 с.
10. Кавтарадзе Р. З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 720 с.
11. Стечкин Б. С., Генкин К. И. и др. Индикаторная диаграмма, динамика тепловыделения и рабочий цикл быстроходного поршневого двигателя. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 231 с.
12. Гафуров Р. А., Глебов Г. А., Скворцов Ю. М. Диагностика структуры нестационарной дизельной топливной струи при циклическом впрыскивании методом импульсной голографии // Вестн. КГТУ им. А. Н. Туполева. 1997. № 4. С. 5-9.
13. Марков В. А., Девянин С. Н., Мальчук В. И. Впрыскивание и распыливание топлива в дизелях. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 359 с.
14. Экспериментальное исследование влияние триботехнического состава «Нановит» на основные показатели работы автомобильного дизельного двигателя КАМАЗ-740.10 - эффективную мощность, расход топлива, скорости износа: отчёт о НИР / Санкт-Петерб. гос. политехн. ун-т: рук. Галышев Ю. В.; исп. Шабанов А. Ю., Зайцев А. Б. URL: www.nanovit.kz.>wp.-content/uploads/2013/09/kamaz.doc.
15. Одинцов В. И. Расчётное исследование условий повышения экономичности судовых средне- и малооборотных ДВС // Двигателестроение. 1988. № 5. С. 5-7.
