автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Совершенствование рабочего процесса судового среднеоборотного дизеля для снижения содержания оксидов азота в отработавших газах

61 ^ 2-5/3223

Федеральное агентство морского и речного транспорта

Российской Федерации Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волжская государственная академия водного транспорта

Андрусенко Сергей Евгеньевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА СУДОВОГО СРЕДНЕОБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ

Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Матвеев Ю. И.

Нижний Новгород - 2012 г.

Содержание

Введение................................................................................................................4

1 Проблемы снижения токсичности отработавших газов и улучшения топливной экономичности судовых среднеоборотных дизелей...................10

1.1 Состав отработавших газов. Токсичные компоненты отработавших газов....................................................................................................................Ю

1.2 Нормирование токсичности отработавших газов.....................................19

1.3 Анализ существующих способов снижения токсичности отработавших газов и повышения топливной экономичности дизелей................................24

1.4 Обоснование выбора способа уменьшения выбросов токсичных компонентов и снижения удельного расхода топлива...................................34

1.5 Выводы по первой главе, постановка цели и задач исследований.........41

2 Теоретические исследования рабочего процесса в камере сгорания судового среднеоборотного дизеля. Влияние различных факторов на токсичность отработавших газов......................................................................44

2.1 Назначение угла начала подачи топлива...................................................44

2.2 Исследование влияния продолжительности подачи топлива на параметры дизеля и токсичность отработавших газов..................................48

2.3 Особенности профилирования топливного кулачка................................50

2.4 Топливная экономичность дизеля и токсичность отработавших газов при различных фазах газораспределения ...л...................................................53

2.5 Влияние волновых процессов в системе топливоподготовки на протекание рабочего процесса дизеля.............................................................55

2.6 Выводы по второй главе..............................................................................57

3 Оптимизация рабочего процесса для снижения токсичности отработавших газов дизеля...............................................................................59

3.1 Оптимизация рабочего процесса, приближенного к изобарному...........59

3.2 Разработка критерия оценки качества протекания рабочего процесса по экспериментальным и расчетным данным....................................................61

3.3 Методика расчета, выбор конструкции и расчет демпфирующего устройства для разгрузки подающего топливопровода.................................74

3.4 Выводы по третьей главе............................................................................88

4 Математическое моделирование рабочего процесса дизеля, приближенного к изобарному...........................................................................89

4.1 Анализ параметров базового двигателя.....................................................89

4.2 Результаты моделирования по углу начала подачи топлива...................90

4.3 Результаты моделирования по фазам газораспределения.......................94

4.4 Результаты моделирования приближенного к изобарному рабочего процесса...............................................................................................................96

4.5 Результаты экспериментальных исследований протекания рабочего

процесса, приближенного к изобарному процессу сгорания топлива.........99

4.5.1 Результаты работы двигателя с уменьшенным углом начала подачи топлива................................................................................................................99

4.5.2 Оценка качества протекания рабочего процесса по отложениям сажи

и нагара на поверхностях камеры сгорания..................................................101

4.6 Оценка приближения рабочего процесса к изобарному процессу сгорания топлива............................................................................................. .114

4.7 Результаты моделирования рабочего процесса, приближенного к изобарному, с увеличенной степенью сжатия..............................................116

4.8 Рекомендации по изменениям конструкции в базовом двигателе для реализации приближенного к изобарному рабочему процессу..................118

4.8.1 Рекомендации по выбору профиля топливного кулачка и конструкции распределительного вала..........................................................118

4.8.2 Рекомендации к проектированию топливной системы......................120

4.9 Выводы по четвертой главе......................................................................121

Заключение.......................................................................................................124

Список литературы..........................................................................................125

Приложение А Моделирование рабочего процесса базового двигателя ...137 Приложение Б Моделирование рабочего процесса по углу начала

подачи топлива.................................................................................................140

Приложение В Моделирование рабочего процесса по фазам

газораспределения............................................................................................143

Приложение Г Результаты моделирования рабочего процесса

приближенного к изобарному.........................................................................153

Приложение Д Кинограммы развития топливной струи при угле начала

подачи топлива 20° до ВМТ..........................и................................................156

Приложение Е Кинограммы развития топливной струи при угле начала

подачи топлива 8° до ВМТ..............................................................................159

Приложение Ж Результаты моделирования рабочего процесса,

приближенного к изобарному с увеличенной степенью сжатия................162

Приложение И Результаты квалификационных испытаний.......................165

Приложение К Акт внедрения........................................................................170

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Эксплуатация среднеоборотных двигателей внутреннего сгорания на судах водного транспорта показывает на протяжении многих лет, что данные двигатели нашли самое широкое применение и имеют большое значение для использования в качестве главных энергетических установок.

При существующем уровне развития среднеоборотных дизелей, характеризующемся удельным расходом топлива от 170 до 220 г/(кВт-ч) и средним эффективным давлением от 2 до 3 МПа при одноступенчатом газотурбинном наддуве, четырехтактные дизели и впредь будут развиваться по пути дальнейшего улучшения эксплуатационных показателей и уменьшения удельного расхода топлива.

В настоящее время в развитии двигателестроения особое внимание уделяется не только улучшению топливной экономичности и ресурса дизелей, но и уменьшению содержания токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ). Если недавно основное внимание уделялось уменьшению выброса двигателями оксидов углерода (СО) и не полностью сгоревших углеводородов (СН), то в настоящее время вводятся более жесткие ограничения на допустимую концентрацию в отработавших газах оксидов азота (М)х), причем решение этой проблемы оказывается особенно трудным. На данном этапе снижение выброса Ж)х до соответствия уровню международных норм МАКРОЬ 73/78, запланированных на 2014г., удается достичь лишь увеличением удельного расхода топлива за счет уменьшения степени сжатия, использования поздних углов начала подачи топлива, рециркуляции отработавших газов. Но такой путь находится в резком противоречии с не менее актуальной проблемой борьбы за повышение топливной экономичности двигателей, острота которой неуклонно возрастает в связи с приближающейся угрозой исчерпания природных ресурсов жидких и газовых то-плив.

Суммарная установленная мощность находящихся в эксплуатации транспортных и стационарных двигателей составляет примерно 1400 млн. кВт, что в 5,5 раз превышает установленные мощности всех ТЭЦ. Двигатели потребляют более 80% жидкого нефтяного топлива, которого по официальным статистическим данным производится в России более 70 млн. т (около 27 млн. т бензинов и авиационного керосина, 48 млн. т дизельного и моторного топлива), а также 0,9 млн. т смазочного масла. В результате сжигания этого количества топлива в атмосферу выбрасывается более 10 млн. т. вредных веществ ежегодно. На двигатели судового, тепловозного и промышленного применения приходится около 11% глобальных выбросов. При этом загрязнение воздуха выбросами автомобилей доминирует в городах (по разным оценкам от 80 до 90%), в то время как вблизи портов, крупных железнодорожных узлов, в промышленных зонах подобный локальный уровень загрязнения создается выбросами дизелей судового, тепловозного и промышленного применения [84].

Сложность проблемы улучшения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов заключается в многообразии факторов (конструктивных, регулировочных, эксплуатационных), которые влияют на процессы, происходящие внутри цилиндра двигателя, в частности, на процесс сгорания топлива. Поэтому оптимизация протекания рабочего процесса двигателя заключает в себе существенные резервы улучшения эксплуатационных параметров дизелей [56].

Многочисленными экспериментальными исследованиями выявлена «универсальная» взаимосвязь между топливной экономичностью дизеля и токсичностью его отработавших газов по самому токсичному компоненту -оксидам азота, которая выражается в том, что для уменьшения содержания Ж)х необходимо уменьшать максимальную температуру цикла, что приводит к снижению термического КПД рабочего процесса и увеличению удельного расхода топлива. Решение столь противоречивой и взаимосвя-

занной проблемы представляет собой сложную научную и практическую задачу [69].

На протяжении многих лет ведутся научные исследования, направленные на улучшение мощностных показателей дизелей, топливной экономичности, их надежности, параметров шумности, токсичности и дымно-сти ОГ. В научных трудах таких ученых, как В.И. Гриневецкий, Е.К. Ма-зинг, И.И. Вибе, Г.Г. , A.C. Орлин, Н.Ф. Разлейцев, H.H. Иванченко, О.Г. Красовский, A.C. Кулешов, Г.В. Тринклер, A.C. Лышевский, P.M. Петриченко, М.Р. Петриченко, Р.З. Кавтарадзе, H.A. Иванченко, H.A. Горбунов и др., исследованы вопросы расчета рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания, наддува дизелей, топливной экономичности, процесса топ-ливоподачи.

Несмотря на большой объем выполненных исследований и проведенных экспериментальных работ, вопросы улучшения топливной экономичности и снижения эмиссии токсичных составляющих отработавших газов остаются актуальными [86, 87]. При этом важной частью проблемы остается вопрос оптимизации рабочего процесса, связанный как с работой топливной аппаратуры, так и с фазами газораспределения.

Целью исследования является совершенствование рабочего процесса двигателя с приближением процесса сгорания к изобарному с тем, чтобы максимально сохраняя достигнутый уровень топливной экономичности дизеля, добиться сокращения выброса оксидов азота. При этом выполняется основное требование: воздействия на рабочий процесс осуществляются без изменения конструкции двигателя.

Дня достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ существующих методов снижения токсичности отработавших газов и уменьшения удельного расхода топлива;

2. Установить основные факторы организации рабочего процесса, влияющие на образование токсичных компонентов в отработавших газах и на удельный расход топлива;

3. Получить требуемые параметры эмиссии оксидов азота в отработавших газах и удельного расхода топлива, без существенных изменений конструкции двигателя;

4. Разработать мероприятия по совершенствованию подачи топлива в цилиндр двигателя;

5. Разработать методику оценки протекания рабочего процесса по отложениям нагара на поверхностях камеры сгорания;

6. Дать рекомендации по снижению удельного расхода топлива. Объект исследований является рабочий процесс судового среднеоборотного дизеля 6ЧРН 36/45.

Предметом исследования являются процессы, протекающие в камере сгорания двигателя. Научная новизна

1. Разработана методика оценки качества протекания рабочего процесса по отложениям нагара и образованию сажи на поверхностях камеры сгорания дизеля;

2. Разработан рабочий процесс, отличающийся:

• от рабочего процесса двигателя со смешанным изохорно-изобарным подводом теплоты более поздним началом подачи топлива до ВМТ и основной фазой его сгорания на линии расширения;

• от рабочего процесса двигателя с изобарным подводом теплоты при постепенном введении топлива после ВМТ более ранним введением топлива до ВМТ;

3. Разработан алгоритм оптимизации рабочего процесса среднеоборотного дизеля для снижения токсичности отработавших газов;

4. Установлено, что рабочий процесс среднеоборотного судового дизеля с приближенным к изобарному процессу сгорания топлива снижает образование оксидов азота в отработавших газах;

5. Предложена система топливоподачи с устройством демпфирования колебаний топлива в топливоподающем трубопроводе;

6. Установлено влияние угла начала подачи топлива на удельный расход топлива и содержание оксидов азота в отработавших газах. Практическая ценность

1. Даны практические рекомендации по регулировке среднеоборотных дизелей для снижения токсичности отработавших газов;

2. Установлено влияние профиля топливного кулачка, фаз газораспределения, угла начала подачи топлива на топливную экономичность и образование оксидов азота в отработавших газах;

3. Разработаны требования к системам топливоподачи, газораспределения, позволяющие довести процесс сгорания с приближением к изобарному;

4. Дано обоснование выбора способа уменьшения выброса оксидов азота в отработавших газах и снижения удельного расхода топлива;

5. Результаты исследований в виде практических рекомендаций могут быть распространены на все судовые среднеоборотные дизели, применяемые на судах водного транспорта, а также могут быть применены на судоремонтных предприятиях, дизелестроительных заводах и в проектных организациях.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

• рабочий процесс среднеоборотного дизеля с приближенным к изобарному процессом сгорания топлива;

• алгоритм оптимизации рабочего процесса, приближенного к изобарному процессу сгорания топлива;

• метод сравнительной оценки качества протекания рабочего процесса по отложениям нагара и образованию сажи на поверхностях камеры сгорания;

• принципиальная схема системы топливоподачи с устройством демпфирования колебаний топлива в топливоподающем трубопроводе.

Методы исследований. Основными методами исследований являются:

• аналитический, основанный на известных зависимостях расчета рабочего процесса;

• экспериментальный, основанный на разработанных автором методиках сравнительного исследования распространения факела по отпечатку на поверхностях камеры сгорания, следам отложения нагара и сажи на деталях цилиндро-поршневой группы двигателя для оценки качества протекания рабочего процесса.

Достоверность научных результатов обуславливается использованием общих уравнений гидродинамики, теплофизики и термодинамики, обоснованностью допущений, принятых при введении упрощенных физических и математических моделей, а также согласованием расчетных результатов с экспериментальными данными. Результаты проведенных испытаний согласуются с ранее проведенными исследованиями на испытательном стенде ОАО «РУМО» и приняты к внедрению в ОАО «МРСК Северо-Запада» объекта «Мезенская ДЭС».

Публикации по теме диссертации. Основные положения диссертации опубликованы в семи печатных работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, 7 приложений. Основное содержание работы изложено на 124 страницах машинописного текста и включает 25 рисунков и 15 таблиц. Список библиографических источников включает 137 наименований. Приложения содержат 34 страницы.

1 ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И УЛУЧШЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

1.1 Состав отработавших газов. Токсичные компоненты отработавших газов

Отработавшие газы - это гетерогенная смесь различных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде

I

жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателя в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 веществ, большинство из которых токсичны.

Основными нормируемыми токсичными компонентами ОГ двигателей являются оксиды азота и углерода, углеводороды. Кроме того, с ОГ в атмосферу поступают альдегиды, канцерогенные вещества, сажа и другие компоненты. Примерный состав ОГ представлен в таблице 1.1 [22].

Таблица 1.1 - Состав отработавших �