Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ научной и практической информации по безопасности окружающей среды от воздействия отработавших газов судовых дизелей 9
1.1 Влияние токсичных составляющих в отработавших газах судовых дизелей на безопасность окружающей среды 9
1.2 Изучение преимущественных режимов работы судовых дизелей 18
1.3 Физико-химические основы предпламенных процессов и процессов сгорания топливно-воздушной смеси судового дизеля 29
1.4 Аналитические и инструментальные методы оценки уровня токсичных составляющих в отработавших газах 43
Выводы. Цель и задачи исследования 56
2. Теоретическое исследование принципов образования токсичных составляющих в отработавших газах судовых дизелей 58
2.1 Влияние способа смесеобразования и конструкции камеры сгорания на образование токсичных составляющих в отработавших газах 58
2.2 Выбор вида математического моделирования для аналитического расчета токсичных составляющих 68
2.3 Основы дескриптивной статистики для обеспечения достоверности результатов исследований 76
Выводы 83
3. Экспериментальное и расчетное исследование и определение состава отработавших газов 85
3.1 Экспериментальные установки, средства контроля и измерения 85
3.2 Экспериментальное исследование состава отработавших газов 94
3.3 Обработка результатов измерений 104
Выводы 117
4. Обоснование результатов теоретических и экспериментальных исследований 118
4.1 Расчетное определение количества основных токсичных составляющих в отработавших газах 118
4.2 Установление закономерностей во взаимосвязях режимов работы судовых дизелей с количеством токсичных составляющих 133
4.3 Формирование показателей научной новизны и практической значимости диссертационной работы 139
Выводы 141
Заключение 142
Список литературных источников
- Изучение преимущественных режимов работы судовых дизелей
- Аналитические и инструментальные методы оценки уровня токсичных составляющих в отработавших газах
- Выбор вида математического моделирования для аналитического расчета токсичных составляющих
- Установление закономерностей во взаимосвязях режимов работы судовых дизелей с количеством токсичных составляющих
Введение к работе
Актуальность темы. Судовой дизель представляет собой сложную техническую систему с совокупностью показателей работы, которые непрерывно изменяются. Эта совокупность определяет протекание рабочего цикла, в ходе которого формируются технико-экономические и экологические показатели двигателя. На эффективность протекания рабочего процесса (РП) влияет конструкция камеры сгорания (КС), режимы работы и качество смесеобразования топливовоздушной смеси. Данные факторы обуславливают энергетическую эффективность и экологическую безопасность работы судового дизельного двигателя.
Быстрый рост мирового флота, оснащение судов высокофорсированными дизелями повышенной оборотности, а также изменение структуры топливного баланса в сторону увеличения потребления высоковязких низкокачественных топлив обуславливают актуальность такой проблемы, как оценка концентрации токсичных компонентов отработавших газов (ОГ) дизелей, эксплуатирующихся на судах. Распространение Мандата комитета защиты морской среды Международной морской организации, а также норм Международной конвенции MARPOL 73/78 на охрану воздушного бассейна от загрязнения его судами обострило интерес законодателей и специалистов к выбросам вредных веществ (ВВ) с ОГ дизельных установок судов.
В этой связи актуальной является научно-техническая задача разработки расчетно-аналитического метода по определению содержания в ОГ судовых дизелей нормируемых токсичных компонентов по внешним показателям работы двигателей, определение приемлемых, с точки зрения экологической безопасности, режимов работы, способов смесеобразования и конструкции КС.
Объект исследования – судовые дизельные двигатели.
Предмет исследования – количественный состав основных токсичных компонентов отработавших газов судовых дизельных двигателей.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является научное обоснование и разработка расчетно-аналитического метода для определения уровня токсичных составляющих ОГ на базе внешних показателей РП судовых дизелей.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:
анализ существующих расчетных методов определения концентрации токсичных компонентов ОГ судовых дизелей;
теоретическое и расчётно-аналитическое обоснование предлагаемого метода;
оценка патентной чистоты разработанного метода;
экспериментальная проверка представленного метода;
сравнение предлагаемого метода с существующими аналогами;
исследование концентрации токсичных составляющих на различных режимах работы судового дизеля;
исследование влияния способа смесеобразования на токсичность ОГ;
исследование зависимости образования токсичных компонентов ОГ от формы КС;
разработка рекомендаций по выбору форм КС и способов смесеобразования;
разработка предложений по использованию.
Методы исследования. Методологической базой диссертационной работы являются исследования таких ученых как Воинов А.Н., Гаврилов Б.Г., Вырубов Д.Н., Орлин А.С., Круглов М.Г., Луканин В.Н., Дьяченко Н.Х., Звонов В.А., Кульчицкий А.Р., Толшин В.И., Иванченко А.А., Дорохов А.Ф. и др.
В расчетно-теоретических исследованиях использованы:
методы математического моделирования;
методы математической статистики;
программный продукт MathCAD.
Экспериментальные исследования проводились на судовых дизелях 6Ч18/22, 2Ч9,5/11, 2ЧН9,5/11, 6ЧН15/18, 8Ч13/14 и 6ЧНР36/48 с применением газоанализатора АНКАТ 310–03. Все исследуемые объекты оснащены средствами контроля и измерения параметров работы, обеспечивающими точность проводимых исследований в соответствии с нормами, установленными ГОСТ 10448–80, ГОСТ 30574–98, ГОСТ Р 52517–2005, ГОСТ Р 52408–2005.
Достоверность и обоснованность работы. Обоснованность результатов обусловлена корректным применением указанных методов исследования. Достоверность экспериментальных и расчетно-аналитических данных подтверждается статистической обработкой и сравнением результатов расчета предлагаемым методом с результатами инструментального анализа.
Научная новизна. В рамках диссертационной работы получены следующие основные результаты:
– разработан новый расчетно-аналитический метод определения токсичных компонентов (NOx, CO, CO2, C, CxHy) ОГ посредством внешних показателей работы двигателя;
– разработана математическая модель, представленная в виде трансцендентных зависимостей, для определения концентраций NOx, СО, СО2, С, CxHy с уточненными коэффициентами и степенными показателями в зависимости от оборотности и режимов работы судовых дизелей;
– разработан метод определения удельного расхода топлива по основным показателям, характеризующим его изменение;
– определены оптимальные режимы работы дизельного двигателя с точки зрения минимизации выбросов NOx, СО, СО2, С, CxHy;
– разработаны и научно обоснованы рекомендации по выбору конструкции КС и способов смесеобразования для организации малотоксичной работы судового дизеля.
На защиту выносятся
-
Новый расчетно-аналитический метод определения токсичных компонентов ОГ посредством внешних показателей работы двигателя.
-
Результаты определения оптимальных режимов работы судовых дизельных двигателей при минимизированном содержании токсичных составляющих в ОГ.
-
Рекомендации по выбору оптимальной конструкции КС.
-
Рекомендации по определению эффективных способов смесеобразования в судовом дизельном двигателе.
Практическая значимость. Предложенный новый расчетно-аналитический метод оценки токсичности ОГ позволяет определять концентрации СО, СО2, С, CxHy и NОx без использования инструментальных средств как в процессе эксплуатации дизеля, так и на стадии его проектирования. Применяться данный метод может на дизелестроительных и дизелеремонтных заводах, в инспекционных организациях, в профильных испытательных центрах, при проведении теплотехнических испытаний, в научно-исследовательских институтах, в учебном процессе среднего и высшего профессионального образования.
Разработанные рекомендации по выбору конструкции КС и способа смесеобразования на стадии проектирования имеют практическую ценность и могут быть использованы на дизелестроительных заводах для создания и обеспечения малотоксичной организации РП двигателя (при проектировании и производстве новых или модернизации эксплуатируемых дизелей).
Научно обоснованный выбор режимов работы двигателя с минимизацией токсичности ОГ может использоваться в качестве рекомендаций в процессе эксплуатации судна.
Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на ежегодных заседаниях кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» и ученого совета института Морских технологий, энергетики и транспорта ФГОУ ВПО «АГТУ» (2007, 2008, 2009, 2010 гг.); на научных конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ (2006, 2007, 2008, 2009 гг.); на региональной научно-практической конференции «Конструкторское и технологическое обеспечение надежности машин» (Махачкала, 2006 г.); на 7-м Межрегиональном семинаре по актуальным проблемам судостроения, судовой энергетики и машинно-движительных комплексов» на базе ФГОУ ВПО «АГТУ» (Астрахань, 2006 г.); на XVIII и XIX Международных Интернет-конференциях молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС2006, 2007) (Москва, 2006 г., 2007г.); на Международном научном семинаре «Перспективы использования результатов фундаментальных исследований в судостроении и эксплуатации флота Юга России» на базе ФГОУ ВПО «АГТУ» (Астрахань, 2008 г.); на V и VI Международных научно-технических конференциях «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России» (Пенза, 2008 г., 2010 г.); на Седьмой Общероссийской конференции и выставке по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ2008» (Санкт-Петербург, 2008 г.); на XVI Неделе науки МГТУ: XI Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы современности» (Майкоп, 2008 г.); на Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем2009» (Волгоград, 2009 г.).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 15 статьях (в том числе 5 в изданиях по перечню ВАК).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы, 36 рисунков. Работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка использованной литературы из 172 наименований, в том числе 24 иностранных, и 7 приложений.
Изучение преимущественных режимов работы судовых дизелей
На долю судов речного и морского флота приходится 1,2 млн. т. выбросов в атмосферу при потреблении 6,9 млн. т. топлива. Доля речных и морских судов в выбросах всего транспортного комплекса составляет 18 %, несмотря на то, что решением проблемы предотвращения загрязнения атмосферного воздуха СДВС на водном транспорте занимаются уже давно [58]. Значительный рост агрегатной мощности судовых дизелей, а также показателей их рабочего процесса вызывает увеличение объемов выбрасываемых в атмосферу ВВ, содержащихся в ОГ. Особенно характерно это для речных судов и судов прибрежного плавания.
Международные организации стремятся объединить природоохранную деятельность заинтересованных государств независимо от их политических позиций, выделяя экологические проблемы из совокупности всех международных проблем. Россия активно участвует во многих международных экологических мероприятиях. Проекты международных, региональных и национальных нормативных документов поэтапно ужесточают требования к техническим нормативам выбросов поршневых ДВС и прогнозируют к концу 2010 г установить их по NOx на уровне 1-3 г/(кВт-ч) [99].
Основным токсичным компонентом ОГ дизелей, вне зависимости от их типа, класса, размерности и конструктивных особенностей, являются оксиды азота NOv Они образуются в камере сгорания (КС) дизеля при окислении азота воздуха, а также азота из азотсодержащих молекул топлива. Неслучайно IMO устанавливает нормы для контроля эмиссий и обсуждает с ведущими представителями морской промышленности перспективы их развития в сторону ужесточения [105, 163]. На рис. 1.3 [171] показаны в сравнении значения нормативов и выбросов судовых двух- и четырехтактных дизелей.
В соответствии с резолюцией Конференции IMO, принятой в 1997 г., Комитету по защите морской среды было предложено пересмотреть нормы предельно допустимых выбросов NOx. В апреле 2006 г. рабочая группа ТМО пришла к выводу о том, что с 2010 г. нормы выбросов NOx (ГМО Tier II) могут быть снижены по отношению к нормам IMO Tier I примерно на 30 %. Приложение VI к Международной конвенции МАРПОЛ 73/78 было ратифицировано Россией в мае 2004 г. [89]. з- ЗО
Проходившая в Лондоне в октябре 2008 г. 58-я сессия Комитета по защите морской среды (МЕРС) Международной морской организации в числе прочих документов приняла новую редакцию Правил предотвращения загрязнения атмосферы с судов (Приложение VI к МАРПОЛ 73/78). Новой редакцией правил предусмотрен поэтапный (Tier I) ввод в действие новых нормативов [172]. Согласно новым формулировкам, работа двигателей, установленных на судах, построенных в определенные периоды времени, запрещена, если они не соответствуют предельно допустимым нормам выбросов NOx, табл. 1.3.
Только при нахождении судна в зонах контролируемых выбросов. При нахождении судна вне зон контролируемых выбросов действуют требования Tier 11. К зонам контролируемых выбросов относятся: акватория Балтийского и Северного морей, а также любая другая морская акватория, определенная Организацией в соответствии с критериями и процедурами, изложенными в Приложении III к Приложению VI к МАРПОЛ 73/78.
Не ранее 2012 г. но не позднее 2013 г. IMO должна провести оценку текущего состояния мирового уровня технологий, необходимых для обеспечения ввода в действие требований новой редакции Правила 13, и откорректировать при необходимости указанные временные рамки [91].
Исходя из этого, а также с учетом положений нового Закона «Об охране атмосферного воздуха» № 96-ФЗ от 04.05.99 г. и принятого в сентябре 1997 г. Приложения VI «Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов» к Международной Конвенции МАРПОЛ 73/78 на водном транспорте продолжены и расширены поисковые работы по созданию эффективных средств для снижения уровня загрязнения атмосферного воздуха [140]. Кроме того, Комитет по внутреннему транспорту Европейской экономической комиссии ООН, в работе которого принимают участие представители Министерства транспорта РФ и Российского Речного Регистра, также рассматривает на своих сессиях проблему предотвращения загрязнения атмосферного воздуха [90]. При этом отмечается экологическое преимущество судов по выбросам углеводородной группы по сравнению с поездами и грузовиками [104, 130]. Отмечается, что количество выбросов оксидов азота и несгоревших углеводородов напрямую зависит от конструкции двигателя, в связи с чем судовладельцы не могут оказать существенного воздействия на уровень этих выбросов. Учитывая, что внедрение двигателей более совершенной конструкции потребует определенного времени, предлагается предусмотреть поэтапное принятие новых предписаний, касающихся адаптации двигателей к новым требованиям.
Аналитические и инструментальные методы оценки уровня токсичных составляющих в отработавших газах
При испытаниях дизеля, работающего на установившихся режимах, выявлено, что при уменьшении частоты вращения при работе по винтовой характеристике концентрация сажистых частиц падает со 150 мг/м при п = 700 мин" до 30 мг/м при п — 500 мин" [114]. Это можно объяснить тем, что при снижении частоты вращения дизеля с турбонадцувом, работающего по винтовой характеристике значение периода задержки самовоспламенения топлива увеличивается из-за снижения температуры и давления в цилиндре дизеля, жесткость рабочего процесса возрастает, тепловыделение в первой фазе увеличивается, а во второй — снижается (рис. 1.6). В целом процесс образования и выгорания сажи смещается к верхней мертвой точке (ВМТ). Длительность процесса выгорания сажи по времени увеличивается, а концентрация сажистых частиц падает [13,77].
Результаты ряда исследований [1, 2, 138, 141] позволяют судить о том, что в режиме разгона период задержки воспламенения топлива уменьшается с ростом давления наддува и температуры в цилиндре. Максимальное давление сгорания растет с увеличением давления наддува и угла опережения подачи топлива. Переходный режим характеризуется разностью мощностей на турбине и в компрессоре, и в период, когда мощность на турбине выше, турбина разгоняет компрессор. Экспериментально подтверждено, что коэффициент избытка воздуха вначале уменьшается по причине резкого увеличения цикловой подачи топлива, а затем растет при увеличении цикловой подачи воздуха вследствие увеличения частоты вращения турбокомпрессора [39]. Причиной резкого увеличения выброса сажи в начальный момент времени является то, что часть фронта струи попадает на относительно холодную стенку КС. Это происходит в основном из-за того, что цикловая подача топлива близка к номинальной, а период задержки воспламенения в 1,5 раза превышает номинальную величину - происходит увеличение длины топливной струи. Кроме того, по причине низкого давления наддува в первое время плотность заряда в цилиндре невысока и длина топливной струи дополнительно увеличивается [107].
Объемы выбросов оксидов азота в период увеличения нагрузки также растут в связи с увеличением максимальных температур в цилиндре из-за увеличения периода задержки самовоспламенения, что приводит к увеличению доли топлива, попавшего в цилиндр за время задержки и, соответственно, к увеличению максимальной температуры в фазе кинетического сгорания. Подтверждением данной теории являются работы отечественных и зарубежных авторов [79, 82, 157, 165, 170].
В режиме разгона целесообразно ограничивать ход рейки. По данным [84, 132], метод ограничения подачи топлива при увеличении нагрузки снижает пиковые вредные выбросы, а время разгона растет незначительно, что допустимо с точки зрения эксплуатации судовых дизелей.
Данные многих ученых демонстрируют, что доля установившихся режимов составляет меньшую часть, а большая приходится на неустановившиеся [4, 80, 121, 125, 136, 138]. При эксплуатации судовых дизелей преобладают режимы работы с низкой частотой вращения коленчатого вала и невысокой нагрузкой. Большую часть составляют неустановившиеся режимы работы двигателя, отличающиеся от сходных установившихся режимов значениями коэффициента избытка воздуха, температурным режимом камеры сгорания и топливной экономичностью, что подтверждают исследования [123]. Значения показателей токсичности и дымности ОГ судовых дизелей зависят от соотношения установившихся и неустановившихся режимов. Исследователи считают, что при работе на неустановившихся режимах нарушается соотношение подачи топлива и воздуха в КС дизеля. В результате происходит отклонение коэффициента избытка воздуха от оптимального значения, поэтому наибольшего содержания токсичных веществ в ОГ следует ожидать именно при работе на этих режимах [1].
В работе [138] приводятся результаты исследований, проведенных на двигателе 6ЧНСП16/22,5. Интересной представляется зависимость содержания во вредных выбросах ОГ дизеля продуктов неполного сгорания при разгоне в зависимости от коэффициента избытка воздуха. С увеличением суммарного коэффициента избытка воздуха в цилиндре до а = 3 процентное содержание СХНУ, СО и К (коэффициент дымности) стремится к минимуму. К уменьшению количества продуктов неполного сгорания ведет замедление выхода рейки топливных насосов на упор максимальной подачи с 3 до 6 секунд. В начальный момент наброса нагрузки из-за увеличенного значения периода задержки самовоспламенения при увеличении цикловой подачи топлива часть фронта струи топлива попадает на относительно холодную стенку цилиндра и сгорает позже с образованием сажи по низкотемпературному механизму образования сажи. В результате снижается индикаторный КПД. Быстрый рост температуры ОГ приводит к резкому увеличению давления газов в выпускном трубопроводе, и при медленном росте давления наддува возникает дополнительный «перекос» давлений, что, в свою очередь, приводит к увеличенному забросу выхлопных газов в цилиндр и выпускной коллектор. Эти данные подтверждаются и в других работах [108, 118, 119]. Коэффициент избытка воздуха уменьшается, дымность резко возрастает.
При работе на неустановившихся режимах зафиксирован рост концентрации СО. Авторы [6] регистрировали увеличение концентрации данного компонента в 3 раза по сравнению с номинальным режимом, а концентрации СхНу — в 4 раза. Объяснить это можно снижением коэффициента избытка воздуха дизеля с турбонаддувом при набросах нагрузки. Концентрация NOx снижается вследствие попадания значительной части топливной струи на стенку цилиндра.
С увеличением нагрузки, угла опережения подачи топлива ф011, коэффициента избытка воздуха а, максимального давления впрыска топлива рвпх, давления сжатия рс, степени сжатия є и, как следствие, повышением температуры сгорания Т увеличивается концентрация NOx. При минимальных нагрузках и температуре сгорания содержание окислов азота наименьшее. Своего максимума выбросы достигают при работе дизеля на эксплуатационном режиме с нагрузкой 80-90% [21, 138]. Именно на этом режиме эффективный КПД наибольший при наименьшем расходе топлива, максимальная температура сгорания также достигает наибольших значений (рис. 1.7).
Выбор вида математического моделирования для аналитического расчета токсичных составляющих
Испытания судовых дизелей 6418/22, 249,5/11, 2ЧН9,5/11 и 6415/18 были проведены на стендах Лаборатории тепловых двигателей кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет».
При проведении экспериментальных исследований были учтены все необходимые условия. Испытательный стенд оборудован системой пробоотбора и газоанализатором для измерения состава ОГ, а также устройствами для измерения расхода воздуха, топлива и мощности дизеля в соответствии с ГОСТ 12.2.003 и ГОСТ 12.3.002. При определении состава неразбавленных газов температура поверхности внутренней стенки пробоотборной магистрали поддерживалась обычно на уровне (453 ± 20) К. Газоанализатор обеспечивает измерения концентрации окислов азота от 0,005 до 0,5 % по эквиваленту N02 при любом составе индивидуальных оксидов. Параметры окружающей среды регистрировались метеорологическим барометром-анероидом М-67 и термометром.
В ходе натурных испытаний исследован двигатель 8413/14 (ЯМ3238М2) (Приложение В4), конвертированный в судовой, производства «Ярославский моторный завод», г. Ярославль, Россия.
Измерение количества основных токсичных компонентов ОГ на указанных испытаниях проводилось газоанализатором АНКАТ 310-03 (Приложение А, В8). Данный газоанализатор допущен к применению в Российской Федерации и имеет сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.31.001.A Hst 21420, вы данный Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии России. Тип газоанализатора зарегистрирован в Государственном реестре под № 29681-05 [131].
В рамках проведения исследований состава ОГ были изучены показатели мало-, средне- и высокобортных дизелей с различными конструкциями КС и способами смесеобразования во время стендовых и натурных испытаний. Широкий спектр экспериментальных данных позволит с учетом дальнейшей тщательной проработки инструментальных и аналитических показателей выявить зависимость показателей токсичности в ОГ от способов смесеобразования топливовоздушной смеси, конструкции КС и режима работы судовых дизелей. 3.2 Экспериментальное исследование состава отработавших газов
Исследования выполнялись методом непосредственных измерений на борту судна при ходовых испытаниях или на стендах, в условиях завода и лаборатории (Приложение Г).
Измерения состава ОГ при работе дизелей на номинальном и долевых режимах проводились в соответствии с предписаниями ГОСТ 30574-98 [31]. По рекомендациям ГОСТ Р 52408—2005 [33] измерения сначала проводились при работе на режиме полной мощности, затем нагрузку последовательно снижали до минимальной. Объемные расходы газов были приведены к температуре Т = 273 К и давлению ра= 101.3 кПа [29,30].
Концентрация токсичных составляющих ОГ судовых дизелей определена газоанализатором АНКАТ 310-03. Перед началом измерений газоанализатор профевается и настраивается по поверочным газовым смесям класса Государственных стандартных образцов (ПГС ГСО) по инструкции предприятия-изготовителя [131].
Отсчет показаний газоанализатора проводился при работе дизеля на каждом режиме не менее пяти раз с интервалом не менее 1 минуты, причем первый отсчет — не ранее чем через 2 минуты после установления температурного состояния дизеля на режиме испытаний. Одновременно регистрируют показатели дизеля, необходимые для определения значений нормируемых параметров.
В Лаборатории тепловых двигателей кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» ФГОУ ВПО «АГТУ» проводились стендовые испытания судового среднеоборотного дизеля 6418/22 по нафузочной и винтовой характеристикам. По винтовой характеристике двигатель испытывался на долевых режимах: 0,793/7 и 0,908я, и по нафузочной: 25 % Nc, 50 % Ne, 75 % Ne соответственно, а также при работе на номинальном режиме 100 % Ne [32]. При проведении испытаний контролировались основные внешние параметры и показатели работы двигателя, а также экологические характеристики (табл. 3.8
Установление закономерностей во взаимосвязях режимов работы судовых дизелей с количеством токсичных составляющих
По результатам исследований, приведенных в главах 2 и 3, выявлена взаимосвязь конструкции КС, способов смесеобразования и режимов работы дизеля с количеством образующихся токсичных компонентов. Теоретическим подкреплением данного утверждения служат отдельные примеры указанных взаимосвязей, представленные в работах [45, 62, 80, 138]. Для подтверждения данной гипотезы были проведены экспериментальные исследования судовых ДВС (6418/22, 249,5/11, 2ЧН9,5/11, 8413/14, 6ЧНР36/48, 6ЧН15/І8) с различными конструкциями КС, способами смесеобразования на различных режимах работы.
Так, для объемно-пленочного смесеобразования, присущего полуразделенным КС, характерна минимальная концентрация в выбросах продуктов неполного сгорания и высокая концентрация окислов азота. Результаты экспериментальных исследований судового среднеоборотного дизеля 6418/22 с полуразделенной КС, объемно-пленочным смесеобразованием и непосредственным впрыском топлива подтверждают данное положение. На номинальном режиме концешрация окислов углерода превышает предельно допустимые значения (СО=4,65 г/(кВт-ч) при ПДК СО=3,0 г/(кВт ч)) [33]. Измеренное значение СО в данном случае можно считать сравнительно низким, особенно учитывая ранний год выпуска двигателя. Объяснить высокую степень полноты сгорания топлива можно следующим образом. 4асть топлива преднамеренно направляют на стенки КС с тем, чтобы вводить его в зону реакции постепенно, по мере испарения. Значительная доля топлива (до 40 ч- 50 %) попадает в виде плёнки на горячие стенки КС, а остальная часть топлива (объёмная) распыливается в воздушном заряде. Такой способ смесеобразования обеспечивает условия для максимального сгорания топлива. Однако избыток 02 способствует увеличению концентрации окислов азота (NOX=20.58 г/(кВт-ч) при предельно допустимом значении NOx=l 1.97 г/(кВт-ч) [33]).
Вихревая КС благодаря улучшенному распыливанию топлива за счет своей конструкции отличается в целом, низкими показателями токсичности. По результатам испытаний судового двухцилиндрового высокооборотного дизеля 249,5/11 с вихревой КС выявлено соответствие концентрации NOX=10.87 г/(кВт-ч) ПДК NOx= 10.42 г/(кВт-ч) [33], в то же время обнаружено превышение концентрации СО более чем в два раза по сравнению с нормативным значением (СО=6,85 г/(кВт-ч)). Завышенная концентрация продуктов неполного сгорания и в частности окиси углерода объясняется заниженной температурой горения топливно-воздушной смеси в сравнении с неразделенными КС. Эксперимент по оценке уровня токсичности у данного дизеля с применением наддува показал иные результаты: концентрация СО завышена в четыре раза (СО=12,09 г/(кВт-ч)) по сравнению с нормативным значением, а концентрация NOx завышена в два раза (NOx =21,52 г/(кВт-ч)). В данном случае при увеличении нагрузки компрессор не успевает обеспечить воздухом увеличивающуюся подачу топлива в цилиндр. При снижении коэффициента избытка воздуха, прежде всего, возрастает количество продуктов неполного сгорания, и токсичность ОГ увеличивается. Численные значения концентрации СО и NOx судового высокооборотного вихрекамерного дизеля с наддувом 2ЧН9,5/11 подтверждают данную закономерность.
Ввиду возможности качественного перемешивания топливовоздушной смеси и минимальном количестве свободного кислорода концентрация окислов азота в большинстве случаев находится в пределах допустимых значений для дизельных двигателей с разделенной КС. Подтверждением данной теории служат результаты экспериментальных исследований ВОД с непосредственным впрыском топлива 6ЧН15/18 (NOx=10.487 г/(кВт-ч)). Известно, что основным фактором, влияющим на образование окислов азота, является температура. С ростом температуры сгорания увеличивается выброс окислов азота в ОГ. На судовом дизеле 6ЧН15/18 были проведены испытания с полным и частичным охлаждением надувочного воздуха. Анализ результатов эксперимента показал, что при полном охлаждении надувочного воздуха концентрация окислов азота ниже ввиду пониженной температуры сгорания, однако неполнота сгорания при этом увеличивается. С ростом температуры сгорания при частичном охлаждении выброс окислов азота увеличивается, но в то же время снижается концентрация окислов углерода и количество продуктов неполного сгорания. Следовательно, тенденции образования токсичных компонентов ВОД с разделенной КС 6ЧН15/18 отражают теоретические предположения о воздействии основных внешних показателей работы двигателя на концентрацию основных вредных компонентов ОГ.
В результате совместного действия температурного и концентрационного факторов выход окислов азота в цилиндрах дизелей с КС неразделенного типа имеет наиболее высокий уровень. Концентрация в выбросах окислов углерода умеренная, хотя она и выше, чем у дизелей с разделенными КС. Причиной этого является вялое протекание процесса смесеобразования, осуществляемого почти исключительно лишь за счет кинетической энергии факелов топлива. Завышенные концентрации продуктов неполного сгорания и окислов углерода в частности прослеживаются у дизелей с неразделенными КС, объемным смесеобразованием и непосредственным впрыском топлива: у высокооборотного дизеля 8413/14 с открытой КС (СО=8,91 г/(кВт-ч)) и малооборотного дизеля с непосредственным впрыском 6ЧНР36/48 (00=12,33 г/(кВт-ч)) в три и четыре раза соответственно. Концентрация окислов азота в выбросах двигателя 6ЧНР36/48 также значительно превышает допустимые значения: NOx=23,6 г/(кВт-ч) при ПДК NOx=14,ll г/(кВт-ч). Данный факт иллюстрирует развитие высоких температур в КС ввиду отсутствия гидравлических потерь и простоты геометрической формы, что характерно для неразделенных КС и объемного способа смесеобразования. Однако концентрация NOx дизеля 8413/14 близка к ПДК (N(\=ll,58 г/(кВт-ч) при ПДК N(\=10,42 г/(кВт-ч)). Объяснить это можно посредством хорошей регулировкой топливной аппаратуры и более поздним, чем у двигателя 6ЧНР36/48 годом выпуска, хотя тенденция к увеличению концентрации окислов азота в дизеле с неразделенной КС четко прослеживается.
Таким образом, на примере показателей токсичности судовых дизелей различной оборотности, с разными формами КС четко прослеживается влияние конструкции КС и особенностей смесеобразования на значения концентраций СО и NOv
Используя данный факт, рассмотрим обратную задачу - подбор оптимальной формы КС для обеспечения экологически безопасной работы судового дизеля. Для гипотетического перспективного судового дизеля 4ЧН9,5/11 с NC=75KBT и п=3000 об/мин с нормативными показателями токсичности проведено исследование по подбору конструкции КС, значений угла опережения впрыска топлива ф0„ и максимального давления впрыска топлива рШІТ. В результате анализа предполагаемых технических характеристик двигателя посредством разработанного метода определены наиболее приемлемые значения регулировочных показателей, форма КС и способ смесеобразования: фоп=21, рШ1Т=23 МПа с открытой КС и объемным способом смесеобразования. Следовательно, предлагаемый метод позволяет выбирать подходящие значения показателей, а также конструкционные рекомендации для повышения эффективности и надёжности работы судового дизеля, а именно: рекомендовать замену насоса высокого давления, трубопроводов и форсунок на насос-форсунки.
Результаты изучения технической информации [36, 83] и теоретических положений [80, 102, 125, 139] свидетельствуют о влиянии режима работы на значения концентраций токсичных компонентов. Основой такой зависимости служат два определяющих фактора, от которых зависит интенсивность образования ВВ. Это концентрационный фактор, оказывающий непосредственное воздействие на образования продуктов неполного сгорания, и температурный, от которого зависит концентрация окислов азота. На долевых режимах температура в КС ниже, чем на номинальном. Суммируя все воздействующие на процесс образования токсичных веществ факторы делаем вывод о том, что на долевых режимах концентрация NOx ниже, чем на номинальном. И наоборот, неполнота сгорания топлива, а значит и концентрация СО при 100% нагрузке минимальна в отличие от долевых режимов, где из-за более низкого качества смесеобразования значения концентрации СО достигают максимальных значений.
