автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Исследование и разработка устройств каталитической обработки топлива для двигателей речных судов

Волжская государственная академия

водного транспорта

УДК 662.75:621.431.74 11а правах рукописи

Митрофанов Иг орь Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ РЕЧНЫХ СУДОВ

Специальность 05.08.05 - Судовые чнсргстнческне установки и их элементы (сланные и вспомогательные)

Автореферат диссертации па соискание ученой стелен',! кандидата технических наук

11ижннй Новгород

1999

Работа выполнена в Волжской государственно!! академии . водного транспорта.

Научный руковод|ггсль — доктор технических наук,

профессор Ьажнм 11.11.

Научный консультант — кандидат технических наук, доцент На.шу.пш С .Н.

Официальные оппоненты: локтор технических наук,

профессор Химнч В..1. кандидат технических наук, доцент Жо.тобои Л.Л.

Ведущая организация — акционерное общее! но «РУ М()».

Защита состоится /1 & ¿000 г. и /Л-чяс. и

аудитории £ &'/ на заседании диесеркщношюю сонет К. 116.03.02 в Волжской государственной академии йодного транспорта по адресу: 603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова. 5. .

С диссертацией можно ознакомиться и библиотеке Ш ЛИ !

Отзывы на автореферат в двух экземплярах. заверенные гербовой печатью предприятия, просим напрашшь па имя ученого секретаря диссертационного сонета.

Ученый секретарь диссертационного сонет а

доцент, канд. техн. наук мГ Пономарев П.Л.

о -шц-ошр

1. ОКЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рациональное использование тонпипно-:>нсргетичсскнх ресурсов является одной m актуальных задач не только для судов речкою флота, но н лля всего дизельного парка в целом. Увеличение иен на топливо, а также ужесточение норм на количество кред-ных выбросов с пыпускиыми газами стимулирует поиск и изучение различных способов совершенствования сгорания топлт-.а в двигателях. I-

В связи с тшм значительный интерес вызывают разработки и нс-следовання устройств низкотемпературной каталитической обработки то— плива Наиболее перспективным!! из ннх для условий применение на судне являются устройства иа основе металлических сплавов, обладающих определенной каталитической активностью.

Вопросам низкотемпературной обработки топшза, в том числа с использованием катализаторов с активным сердечником иосяящено много исследований. Значительный вклад в разработку теории этих процессов был внесен A.M. Кагдасаровым, К. АсакавоЙ, Н.Л. Ефимовым, В.А. Звоновым, A.M. Красносельским, Э.К. Копейкиной, U.C. Ревзиным, IO.M Кузнецовым и другими исследователями.

I !есмспря на ташпельные успехи, достигнутые в о5лйсп1 пу =ичес?лго применегаи такою типа устройств, единой теории, позвожшжгй обрадовать картину яялеиий, происходящих при сгорании обработала«« топтга, до настоящего времена не с. здшю. Практически нет единого мнения о процессах, происходящих при обработке тогшив на катализаторах с сердсняшмп, шариками из металлических сплавов и т.п. Стедсгспельно, нет теоргтачеекого обоснования размеров и формы сердечников, шариков, скоростей нх ойтскання то-илипом, места расположения относительно устройств тшливоподачи я г д. В сиячи с тгим тема проведенного исследования актуальна.

Цель работы. Целью работы является теоретическое исследование и описание физико-химических процессов, происходящих при обработке топлива с помощью катализаторов, и создание на этой оспине эффективного устройства каталитической обработки топлива.

Маучная новизна. Сформулировпьм новые положения, необходимые для описания процессов, происходящих ирн каталитической обработке юплив н их сгорании в двигателях.

Разработана технология изготовления устройства каталитической обрабопси топлива на основе активного металлического сплава

Разработаны математические модели, позволяющие оценить изменение физико-химических характеристик топлива после ею обработки на катализаторе, с помощью которых можно определить нужные геометрические размеры поверхности катализатора.

Методы исследования. Исследование выполнено с помощью экспериментальных и теоретических методов.

Экспериментальное исследование выполнено на лабораторных стендах и » судовых условиях с учетом требовании и рекомендаций нормативно-справочной литературы. Полученные результаты обрабатывались с использованием основных положений теории погрешностей. В экспериментах использовались отечественные датчики и анализирующе регистрирующая аппаратура, например, комплекс АИР-50, электронный индикатор ЛИВТа н др.

Теоретическое исследование выполнено на основе использования построений фундаментальных законов физики и химии с привлечением накопленного экспериментального материала Часть выводов сформулирована по результатам анализа экспериментальных данных, полученных в

настоящей работе, а также tío результатам компьютерного моделирования процессов каталитической обработки топлива. V

Практическая ценность. Разработаны конструкции предлагаемых устройств и схемы их включения я состав судовой системы топ-ливоподготовкн, что позволит повысить топливную экономичность судовых дизелей.

Апробация работы Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на наушо-тсхшпеских конференциях профессорско-преподавательского состава Волжской государственной академии водного транспорта (Н. Новгород, 1996 — 1999) и международной научно-технической конференции «Энер! сберегающие тсплотех пологи ческие процессы и установки» (Севастополь, t V;^).

Структура и объем работы. Диссертация состоит нз сведения, пяти глаз, заключения, списка литературы из 59 ншмекетаипй. Основная часть диссертационной работы содсряпгг 13! машинописного текста, 20 рисунков н 14 таблиц.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в трех печатных работах автора.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе по итогам обзора литературных источников выполнен анализ наиболее эффективных методов совершенствования процессов сгорания, выявлены их положительные и отрицательные стороны. Рассмотрены методы интенсификации процесса сгорания, основанные на обработке топлива при помощи низкотемпературных катализато

ров никеля 1'снея и активного сердечника, состоящего и:» сплава па осмоле цинка. Проанализированы'уже существующие и предложены собствен-, ние гипотезы, объясняющие механизм воздействия обработанных гонлив на процессы преднламеиной подготовки и сгорания. Приведены результаты патентного поиска.

Анализ сведении, касающихся каталитической обработки Iшипит показал, что единого мнения о процессах, происходящих при обработке топлива на катализаторах с сердечниками, шариками из металлических сплавов и т.п., практически не существует. Следовательно, нет теоретического обоснования размеров и формы сердечников, шариков, скоростей их обтекания топливом, места расположения устройств относительно то-, пливовлрыскивающей аппаратуры. Гак же не существует единою мнения о процессах, протекающих в камере сгорания дизеля в период нредпла-менноП подготовки н сгорания обработанных топлнв.

Все перечисленное свидетельствует о чрезвычайной сложности как протекающих физико-химических процессов на поверхности катализаторов, так и о сложности и многогранности их влияния на физико-химические процессы предпламенной подготовки и сг орания обработанного топлива в целом. Ввиду сложности рассматриваемых явлений были выявлены возможные направления исследований в данной области и сформулированы задачи диссертационного исследования.

Во второй главе приведено созданное автором теоретическое описание физико-химических процессов, протекающих на катализа горе с активным сердечником на основе цинка и процессов, происходящих в камере сгорания дизеля, в результате сжигания обработанного топлива Показано влияние электризации тошшь. , * процесс раснылиншич и размер получаемых капель, а так же влиянии .да на процесс тепломассообме-

на капли с окружающей средой. Изложены принципы молскулярно-кнне-тнчеекого подхода к оценке процесса теплообмена капли с окружающей средой, а так же влияние заряда капли на кинетику иредпламснного окисления топлива в газовой фазе и процесс горения капель. Приведены обос-нопания свойств материала сердечника, как осиош.1 катализатора электростатической обработки топлива. Для оценки влияния данного способа обработки на следующие друг за другом процессы впрыскивания, испарения и предпламспной подготовки, воспламенения и сгорания топлива анализ проводился для обработанного и необработанного топлнв в отдельности без учета влияния перечисленных процессов друг на друга.

Анализ процесса взаимодействия топлива, являющегося' слабым электролитом, движущегося в зазоре ме;кду корпусом катализатора и сердечником показал, что под воздействием внешнего дакде' ^ р возникают потоки ионов обоих знаков в направлении вектора £гза р. В результате диссоциации воды в силовом поле металлического сердечника, а также гидролиза солей на границе раздела тогшто-.^етаг-мческая поверхность образуется двойной электрический слой (Д.ЗС). Внутреннюю обкладку слоя составляют ионы одного знака, а внешнюю (диффузную) — ноны противоположного знака. Существование диффузной части ДЭС приводит к тому, что при движении топлива в зазоре общий поток проти-воионов превышает поток коионов. Разность потоков представляет собой поток свободных зарядов. Перенос зарядов осуществляется образованиями, состоящими из нескольких нейтральных молекул и одного или нескольких ионов. Иными словами физико-химические процессы, протекающие на катализаторе аналогичны процессам, происходящим при электростатическом заряжении топлива, протекающего по трубопроводу. Для определения количества заряда, стекающего на корпус и сердечник, а

также образующегося на иыходе нз катализатора автором предложены 1а-виснмостл вида:

Рут - РО ~ РО е?Ф

Рост - РО «Р

~7 мх0

I-

2\

* (■ /

X

(О

(2)

где ро — объемная плотность образующегося на катализаторе заряда, Кл/ы*;

У—удельная проводимость топлива, См/м; и* — скорость топлива на входе в катализатор, м/с; е — диэлектрическая проницаемость топлива; ео — электрическая постоянная Со=:8,854-10 1г, Ф/м. а — внешний радиус сердечника, м; Ь •— внутренний радиус корпуса катализатора, м; х — длнпа сердечника катализатора, ад.

■Уравнений (1) и (2) отражают саязь между количеством стекающего и образующегося зарядов на выходе нз кятяяы шора с его геометрмче-скими параметрами а'А и х, а так же скоростью топлива ьа входе в катализатор.

При оценке влияния электризации топлива из процесс распиливания н размер получаемых капель лиссергенгом получены формулы для расчета радиуса капель не срезе соплоного отверстия распылителя при обычном распиливании

г =

3 Ьца

ц2ДрЬц + 4пП'арт и распиливании с электризацией

(3)

48дсе0 ЯЬц<у

(4)

16тес0Я(ц2А/7/>;< + 4л:Д2сфт) + ц1рт '

где И — гипотетический радиус представляемой в виде шарика циклопой порции топлива до распиливания, м;

— цикловая порция топлива, кг/цикл; ' ст — поверхностное натяжение топлива, Н/м; ц — коэффициент распиливания распылителя;

Ар — перепад даплеиня па срезе соплового отверстия распылнте-

I ¡оказано, что заряд с/о цикловой порции топлива, практически не оказывает влияния на размер получаемых капель, а заряд к.'ппн'ф является постоянным и равным заряду иона, на котором она образо»л>-л ь.

Анализ влияния электростатической обработки топлпей ¡¡а процесс тепломассообмена с окружающей средой позволил установить, что заряд приводит к снижению поверхностного натяжения и давления насыщенного пара у поверхности испаряющейся капли. На поверхн'-ктное натяжение капли оказывает влияние не только наличие заряда, но и температура капли, и кривизна ее поверхности. Для учета всех факторов при расчете поверхностного натяжения автором предложены формулы: для незаряженной капли

ля, Па;

р —- плотность топлива, кг/м .

(5)

для заряженной капли

°Чг = _2__ А

64т12ее0о^ - д2

,з

(6)

Л2ееоГ92(64Г9 + 128-ГГ8)

Проанализировав представленные на рис. I графики а,-]{г) и адг ~Лгя)> построенные с помощью формул (5) и (6).легко увидеть, что с

. уменьшением размеров капли скорость снижения поверхностного натяжения заряженной капли ныше скорости снижения того же параметра дли незаряженной капли.

Диссертантом предложено оценивать давление пара у поверхностей испарения незаряженной и ■ заряженной капель с помощью следующих уравнений:

для незаряженной капли

Ру = Д»ех р-~—; (7)

ГЛ/,,

для заряженной капли

,2

v

Ит1

где рж — давление, паров вещества в окружающей среде (на бесконечности от поверхности), Па;

У—мольный объем вещества капли, м'/моль; М—универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К); Т, — температура поверхности капли, К. Согласно представленным на рис. 2 графикам ру ~АГ) >■ РЧу =Л'"Ч),

построенным с помощью формул (7) и (8), давление пара у поверхности незаряженной каток непрерывно возрастает с уменьшением ее размера, а кривая, описывающая изменение давления паров у поверхности заряженной шиш имеет максимум. Анализ кривой р9у =Дг4) показывает, что при

переходе через точку максимума давление паров у поверхности испарения снижается. Это приводит к снижению скорости испарения вещества с

g. cb O

С

л/1

11 \jl

\ 2

1 2 - Незаряженная капля - Заряженная капля

O 6 VIO"9 D-n'1 13VI0"1 J»-I0"' ÍB-ID'1 »я-иГ* ii-wf1

Радиус капли, м

Я Й

К

£ vio

á

/ 1 2 \

/

/

1 - Незаряженная капля 2 - Заряженная капля

О 41-Ю"10 I.Í-10*' 1-И'Ю"* WW* »П-йТ* >>10"'«Я-КГ* ГМ(Т*

Радиус капли, м

Рис, 1

1 - Незаряженная капля

2 - Заряженная капля

3 - Давление в КС

О 131*10 2-5*10 Л»ЧО * <Й'М «;4М0 7.49>10 174-10 "

Радиус капли, м

поверхности, а значит к увеличению теплоподвода к границе разя .ж Ъх Увеличение теплоподвода приводит, по нашему мнению, к «итенсифих> пин процессов окисления как п объеме газовой фазы у поаахтос; т испарения, так и на поверхности жидком фазы.

• Для описания влияния заряда на процесс горения ¡.мши *>• • воспользовались теорией переходных состояний, согласно ко.прой серость реакции пропорциональна концентрации промежуточного астнекропап-ного комплекса ('*, определяемой энергией активации Ь.3. Тогда ;ля случая незаряженной капли концентрация С* может быть м-рс-де. на по формуле:

где — заряд нома (включающий знак); /''•- число Фарадея, Кл/моль;

А(|>— изменение потенциала поверхности капли при я.чзреии« Изменение пы «пикала поверхности Д«р олрелсляегся;

где </ — заряд капли. К'л:

И — радиус бесконечно большой xai;,¡>; . г — текущий радиус капли, м.

Показано, что при измене: ,,:) «ара'легр*» s 500 мВ скорость реакций окислили« >.¡ поверх íhjcíí. 5?гжет измениться на 8 порядков.

(9)

„тля заряженной капли — по формуле:

Третья глава посвящена созданию катализатора на основе выполненных в главе 2 теоретических исследований. В ней также сформу-лировакы основные требования к конструкции, обоснованные по результатам совместного решения.уравнений (1) и (2) при условии р,т-р„,-„,. При этом получено уравнение:

In 2 =

ух

I

Н1Х()

I

(12)

из которого можно вывести зависимости для расчета следующих параметров:

скорости топлива на входе в катализатор, при которой р1Я,=р,жт:

\24

ух . I а

и* =

ух

1П(2)сео

I -

(13)

отношения радиусов сердечника и корпуса а/Ь при том же условии:

j' ln(2)wCE0Y

УХ )'

длины сердечника (p,„=p,x„,):

х =

1п(2)>гсс0

1 -

(14)

(15)

Оптимизация катализатора на основе формул (13) — (15) может быть произведена только по какому-то одному параметру (и*, (а Ь) или х). Поскольку проектирование выполняется в условиях объективного недостатка исходных данных и ограниченного числа уравнений связи параметров, используем прием уменьшения количества переменных (или факторов, влияющих на процессы образования и утечки заряда в катализаторе) путем превращения некоторых из них в константы на основе использова-

ния известных опытных данных, сужения интервалов их варьирования н т.н. Ьыли рассмотрены дна способа размещения сердечника катализатора в топливной системе: непосредственно в топливоподводящем трубопроводе и п собственном корпусе с последующим встраиванием устройства в топливную систему, как отдельного элемента. Геометрические характеристики катализатора в первом случае определены при условии, что скорость в подводящих трубопроводах топливных систем дизелей находится в пределах 0,5...4 м/с. На основании этого были получены значения максимальною и минимального радиусов сердечника катализатора при известном радиусе трубопровода, выполняющего роль корпуса: «„,„,0,935/?,, „,,„ ат,„~0,0Ь5Н„„Р: Но втором случае при расчете геометрических характеристик использовался прием, применяемый при расчете щелевых фильтров форсунок, согласно которому катализатор будет создавать наименьшее гидравлическое сопротивление при отношении

Л, ¡¿Ьн

где Л',, — площадь сечения кольцевого зазора, м2;

Л'„ тр — площадь сечения подводящего трубопровода, м1.

В результате получены следующие соотношения для максимальных значений радиусов корпуса и сердечника:

Максимальную и минимальную длину сердечника в обоих случаях можно определить с помощью формулы (15).

На основе выведенных соотношений были обоснованы следующие геометрические размеры катализатора для дизелей ряда 6ЧРН 36/45: дг=0,72 м, а=0,014 м, 6=0,016 м. Для обеспечения эффективности и компактности устройство было выполнено в виде трех одинаковых секций, соединенных таким образом, чтобы обеспечивалась возможность их подключения но параллельной и последовательной схеме.

15

а четвертой главе приведены результаты теплотехнических негтытаиий судовых дизелей типа 6ЧРН 27,5/36 на стенде лаборатории С ДОС ВГЛВТа, 64 РН 36/45 на эксплуатирующемся судне при их работе на необработанном дизельном топливе и обработанном при помощи низкотемпературных катализаторов. В ходе; испытаний контролировались удельный (часовой) расход юнжлп А, (Л,), температура выпускных газов Гц, максимальное давление цикла рт1Х. Кроме того, при проведении судовых испытаний оценивалось изменение формы кривой индикаторной диа-(рамми. Измерение расхода топлива в лабораторных условиях проводилось массовым методом, а на судне ;—с помощью штатного штихпробе-ра.

В главе рассмотрена методика определения отдельных параметров н оценка погрешности их измерения. Суммарная относительная погрешность определения удельного расхода топлива на различных режимах работы двигателя в стендовых испытаниях составляет: без катализатора 0,82...1,14 %, с катали »втором 1,06...1,59 %.

В ходе проведения судовых испытаний погрешность определения расхода топлива на различных режимах работы двигателя составляет: без катализатора 1,08... I, ? 9 %, с катализатором 1,08. ..1,11 %

Стендовые испытания двигателя 6ЧРН 27,5/36 на топливе, обработанном никелем Ренея, привели к снижению удельного расхода топлива на всех режимах. Наибольший эффект обнаружен при работе двигателя на частичной нагрузке, равной 0,25 от номинальной. Удельный расход топлива снижался на 1,6...3,8 %. При этом обнаружено снижение температуры выпускных газов на 11 ...28 °С при зафиксированном незначительном росте максимального давления цикла ртИспытания того же двига-

16

юля на топливе, обработанном катализатором с сердечником на ссноае шшка показали следующее. При параллельном соединении сегсшП катализатора максимальная экономия топлива, обнаруженная при работе на режиме О.З/'.ц,,,, равна 3,35 %. Зафиксировано незначительно*: пояснение />«,„ на 0,02...0,08 М11а, а так же отмечено незначительнее понижение температуры отработавших гзчов на 2,5 "С. С увеличением нагрузки эффект экономии снижается до 2,2 % при этом отмечено незначшельное снижение значения р„шк по цилиндрам на 0,04.. 0,23 МПа и температуры отработавших газон на 2,5 °С.

ОбраСюгка топлива при последовательном соединен»!!! секций привела к гораздо меньшей экономии на режиме 0,75/'^,«, а «э режиме 0,51'тт за(|)иксиропан отрицательный результат. На режиме 0,5РаА1Ч экономия топлива составила - 0,69% при увеличении рп.,, но цилиндрам на 0,04...0,166 МПа и повышение Тх на 8,3 "С, При увеличении нзфузкн на ■тшнаюль на режиме 0,75/'т1,ч экономия топлива составляет !,05% при повышении значения рт„ на 0,07.. 0,09 МПа и снижение Тж ¡¡а 5 ®С.

При кейьманияч двигателя 6ЧРИ 36/45 в судовых условиях па топ-лине обработанном при помоиш катализатора с активный -ссрдс" • м наибольший эффект яия«яен из режимах винтовой харг.кгеряси?«! от //-•280 ««я»"1 до п 320 мк«'\. При этом отмечено несушестаннос гаеы« «ченке давления сгорания »».з 0.05.. 0,1 МПа, уменьшение утиогой кс^рди-иатм <рти, с 17,9 до 12.«увеличение давления за 12°п.к.в, до В\1Т на 0,6 МПа, умеммдеине 'зд&'ктм ,'за 36 "п.в.». после ВМТ т МПа, умея-мнеиче ско}чтс>:| мграсшшя /шяения Лр'-.:флчп с 10,8$ до'",?".

При жклелойзтея№ом соединении сехакй максимальная >йожчт •гатив:» 1,1...5,4 % маблйвдзляеь «ри »--279...383 мнн'!. Прч уЕе.-едчепии »лшш вращения ':»коИ'ЧМНя снижается и'часовой расчод ипсагла С18№>-

вше/, равным расходу необработанною топлива.

При параллельном включении секций максимальная экономия топлива 1,62...4,29 % наблюдалась при работе двигателя с часточой вращения н=3!8...323 мин"'. С увеличением частоты вращения до о- 340 мин"1 и более эффект экономии топлива нивелируется.

В пятой главе диссертации обоснована экономическая эффективность устройства. Получены следующие показатели экономическом эффективности:

ъросень рентабельности модернизацнонных мероприятий .V^-218,6 %; срок окупаемости f=0,31 лет.

Экономическая эффективность 3/j внедрения определялась но (¡юр-

муле:

Ку>0, (16)

/ 0 + d)

где я — срок службы устройства, лет, нриняю п ) 0;

A3 — разность между затратами до модернизации и после нес погодам, USD;

/ — текущий год работы устройства;

d — норма дисконта (процентная ставка за кредит банка), принято </"0,1;

KV— единовременные капитальные затраты на изготовление и монтаж устройства, принято 48,468 USD.

В итоге экономическая эффективность внедрения составила 2750,36 USD, что удовлетворяет неравенству (16) и позволяет сделать вывод о целесообразности внедрения разработанного устройства каталитической обработки топлива на речной флот.

ЪЧКЛЮЧКИПК и ныподы

Выполненный анализ различжтх методов каталитической обработки топлива позволил считать наиболее перспективными для применения на речных судах технологии обработки топлива е- помощью скелетного катализатора никеля Рснся в присутствии водорода и активного чгтггипа-торп, из1 отопленного из сплава на основе цинка. Отличительной особенностью этих катализаторов являются:, простота, надежность и ¡гнзхм температура, при которой осуществляются физико-химические пронесем.

Созданы модели физико-химических процессов, протекают;!* на рассматриваемых катализаторах, а также модели влияния обработанного топлива на процессы предиламенной подготовки и сгорания, что позволило сформулировать требования к конструкции катализаторов.

И лабораторных и судовых условиях проведено экспериментальное исследование параметров рабочего процесса двигателей 6ЧРН 27,5/36 и 6Ч1Ч1 36/45, которое подтвердило основные теоретические результаты, о чем свидетельствует предсказанное изменение параметров рабочего процесса и снижение расхода топлива.

При проведении .теоретического 'и экспериментального »«'щуеяоаа-ния получены частные выводы, наиболее интересными из которых являются следующие:

1. Элекгростатичеимч,- заряжение топлива практически не влияет на размеры капель, получасах при распиливании.

2. Наличие заряда »'капле способствует уменьшению козерзшмпг-ного натяжения. Интенсивность сняжсния-эгвго параметра умдичпвается •-.уменьшением размера капли.

3. При уменьшении радикса капли заряженного тоздям дозизче-е' : происходит уменьшение давления насыщенного пара у ее говер:»-

нос'н. В результате л ого снижается скорость испарении вещества капли.

4. При испытаниях активного катализатора на основе цинка максимальная'экономия топлива (3,35% при работе двигателя по нагрузочной характеристике, 5,4 % — по винтовой характеристике) наблюдалась при параллельном соединении секций катализатора.

5. Судовые испытания двигателя СЧГЧ1 36/45 по винтовой характеристике показали, что при работе двигателя с частотой крашения игЗШмин"1 целесообразно параллельное, при »<310 мин 1 —■ последовательное включение секций устройства.

Испытания двигателя 6ЧРН 27,5/36 но нагрузочной характеристике показали, что во всем диапазоне изменения нагрузки целесообразно параллельное включение секций устройства.

6. При обработке топлива с помощью катализатора на основе пинка

■ I

выявлено снижение периода задержки воспламенения и уменьшение скорости нарастания давления в цилиндре, что свидетельствует о повышении эффективнее™ процессов предпламекной подготовки и сгорания топлива, вследствие резкого увеличения количества активных частиц, являющихся центрами реакций в топливо-воздушной смеси.

Основные положения диссертации изложены в трех публикациях:

1. П.И. Бажан, С.Н. Валиулин, И.В. Митрофанов Способ улучшения свойств топлива в дизелях путем его гидрирования в присутствии высокоактивного катализатора. - Инф. сб. ЦБНТИ / Наука и техника на речном транспорте. - М., 1997, № 5, с. 1-4.

2. Митрофанов И В. Влияние электростатической обработки топлива на процесс тепломассообмена капли с окружающей средой // Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава. - Н.Новгород: тип. ВГЛВТа, 1999, вып. 283, ч. 1, с. 79-87.

3. Митрофанов ИИ. Расчет фитико-химических свойств топлива при его обработке на катали заторе гидрирования // Материалы научно— технической конференции профессорско преподавательского состава. -II.Новгород: тип. НГЛВТа, 1999, вып. 283, ч. 1, с. 88-94.

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса.

1.1. Обзор методов совершенствования процессов сгорания.

1.2. Методы каталитической обработки топлива.

1.3. Каталитическая обработка топлива с помощью низкотемпературных катализаторов.

1.4. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Теоретическое описание физико-химических процессов, происходящих при обработке топлива с помощью катализатора на основе цинка.

2.1. Предварительные замечания.

2.2. Физико-химические процессы, протекающие на катализаторе при электростатической обработке топлива.

2.3. Физико-химические процессы, протекающие в камере сгорания дизеля.т.:.

2.3.1. Влияние электризации топлива на процесс распыливания и размер получаемых капель.

2.3.2. Влияние электростатической обработки топлива на процесс тепломассообмена с окружающей средой.

2.3.3. Принципы молекулярно-кинетического подхода к оценке процесса теплообмена капли с окружающей средой.

2.3.4. Влияние заряда капли на кинетику предпламенного окисления топлива в газовой фазе.

2.3.5. Влияние заряда на процесс горения капель.

2.3.6. Свойства материала сердечника, как основы катализатора электростатической обработки топлива.

Глава 3. Создание катализатора на основе выполненного теоретического анализа.

3.1. Требования, предъявляемые к конструкции и режимам работы устройства каталитической обработки топлива с активным сердечником.

3.2. Разработка конструкции.

Глава 4. Экспериментальные исследования работы судовых дизелей с устройствами каталитической обработки топлива.

4.1. Общая методика экспериментальных исследований.

4.2. Стендовые испытания устройств каталитической обработки топлива на двигателе.

4.2.1. Описание стенда.

4.2.2. Порядок проведения экспериментов.

4.2.3. Результаты испытаний двигателя на топливе, обработанном никелем Ренея.

4.2.4. Результаты испытаний двигателя на топливе, обработанном сплавом на основе цинка.

4.3. Испытание устройства каталитической обработки топлива в виде сплава на основе цинка в судовых условиях.

4.3.1. Описание устройства и места его расположения на двигателе.

4.3.2. Порядок проведения эксперимента.

4.3.3. Результаты испытаний катализатора на основе цинка в судовых условиях.

4.4. Анализ экспериментальных результатов.

4.4.1. Обработка топлива на скелетном никелевом катализаторе.

4.4.2. Обработка топлива катализатором с сердечником на основе цинка на стенде.

4.4.3. Обработка топлива при помощи катализатора с активным сердечником на основе цинка в судовых условиях.

Глава 5. Обоснование экономической эффективности устройств каталитической обработки по результатам стендовых и судовых испытаний.

5.1. Определение затрат на модернизацию двигателя устройством каталитической обработки топлива на основе цинка.

5.2. Расчет экономической эффективности устройства.

Актуальность темы.

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов является одной из актуальных задач не только для судов речного флота, но и для всего дизельного парка в целом. Увеличение цен на топливо вследствие растущего дефицита дистиллятных фракций, а также ужесточение норм на количество вредных выбросов с отработавшими газами стимулирует поиск и изучение различных способов интенсификации сгорания топлива в двигателях.

В связи с этим значительный интерес вызывают разработки и исследования устройств низкотемпературной каталитической обработки топлива. Наиболее перспективными из них для условий применения на судне являются устройства на основе катализатора гидрирования никеля Ренея, а также металлических сплавов, обладающих определенной каталитической активностью.

Теоретических и практических исследований в области обработки топлива на катализаторах гидрирования нами найдено не было, за исключением исследований в этой области, проведенных чл. корр. АН СССР, проф. А.Д. Петровым.

Вопросам электростатической обработки магнитным и электрическим полями (обработку топлива на катализаторе с активным сердечником мы также относим к этим видам обработки) посвящено много исследований. Значительный вклад в разработку теории электростатической обработки топлив был внесен A.M. Багдасаровым, К. Асакавой, H.A. Ефимовым, В.А. Звоновым, A.M. Красносельским, Э.К. Копейки-ной, Н.С. Ревзиным, Ю.М. Кузнецовым и др.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в области практического применения такого типа устройств, единой теории, позволяющей обрисовать картину явлений, происходящих при сгорании наэлектризованных топлив, до настоящего времени нет. Практически нет единого мнения о процессах, происходящих при обработке топлив на катализаторах с сердечниками, шариками из металлических сплавов и т.п. Следовательно, нет теоретического обоснования размеров и формы сердечников, шариков, скоростей их обтекания топливом, места расположения относительно устройств топливоподачи и т.д.

В связи с этим тема проведенного исследования актуальна.

Цель работы.

Целью работы является теоретическое исследование и описание физико-химических процессов, происходящих при обработке топлива с помощью катализаторов, и создание на основе проведенного исследования, а также анализа литературных источников, касающихся различных (в том числе каталитических) методов совершенствования процессов сгорания в дизелях, эффективного устройства каталитической обработки топлива.

Исследование выполнено с помощью экспериментальных и теоретических методов.

Экспериментальное исследование выполнено на лабораторных стендах и в судовых условиях с учетом требований и рекомендаций нормативно-справочной литературы. Полученные результаты обрабатывались с использованием основных положений теории погрешностей. В экспериментах использовались отечественные датчики и анализирующе-регистрирующая аппаратура, например, комплекс АИР-50, электронный индикатор ЛИВТа и др.

Теоретическое исследование выполнено с использованием основных законов физики и химии и с привлечением накопленного экспериментального материала. Часть выводов сформулирована по результатам анализа экспериментальных данных, полученных в настоящей работе, а также по результатам моделирования процессов каталитической обработки топлива на компьютере.

Научная новизна.

Сформулированы новые положения, необходимые для описания процессов, происходящих при каталитической обработке топлив и их сгорании в двигателях.

Разработана технология изготовления устройства каталитической обработки топлива на основе активного металлического сплава.

Разработаны математические модели, позволяющие оценить изменение физико-химических характеристик топлива после его обработки на никелевом катализаторе, а также оптимальные геометрические размеры активного сердечника.

Практическая ценность.

Разработаны конструкции предлагаемых устройств и схемы их включения в состав судовой системы топливоподготовки, что позволит повысить топливную экономичность судовых дизелей.

Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Волжской государственной академии водного транспорта (Н. Новгород, 1996 - 1999) и международной научно-технической конференции «Энергосберегающие теплотехноло-гические процессы и установки» (Севастополь, 1997).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Выполненный литературный поиск методов совершенствования процесса сгорания в дизельных двигателях позволил сузить область исследования, которая была ограничена рассмотрением различных методов каталитической обработки топлива. Наиболее перспективными из них признаны технологии обработки топлива с помощью скелетного катализатора никеля Ренея в присутствии водорода и активного катализатора, изготовленного из сплава на основе цинка. Отличительной особенностью этих катализаторов являются: простота, надежность и низкая температура, при которой осуществляются физико-химические процес

Проведен анализ физико-химического механизма процессов, протекающих на данных катализаторах, а также физико-химического механизма влияния обработанного топлива на процессы предпламенной подготовки и сгорания. Это позволило оценить воздействие никелевого катализатора на процесс сгорания, а также сформулировать основные требования к конструкции и режимам работы катализатора на основе цин

В лабораторных и судовых условиях проведено экспериментальное исследование параметров рабочего процесса двигателей 6ЧРН 27,5/36 и 6ЧРН 36/45 (Г70-5), которое подтвердило эффективность обработки топлива при помощи данных катализаторов, о чем свидетельствует снижение расхода топлива: на никелевом катализаторе на 1,6 - 3,8 %, в зависимости от нагрузки двигателя; на катализаторе с активным сердечником на 1,4 - 5,4 %, в зависимости от нагрузки и режима работы двигателя.

При этом отмечено незначительное повышение максимального давления цикла на 0,05 - 0,246 МПа и снижение температуры отработавших газов на 2,5 - 20 °С.

При проведении теоретического и экспериментального исследования получены частные выводы, наиболее интересными из которых являются следующие:

1. Электростатическое заряжение топлива практически не влияет на размеры капель, получаемых при распыливании.

2. Наличие заряда в капле способствует уменьшению поверхностного натяжения. Интенсивность снижения этого параметра увеличивается с уменьшением размера капли.

3. При уменьшении радиуса капли заряженного топлива до значения гкр происходит уменьшение давления насыщенного пара у ее поверхности. В результате этого снижается скорость испарения вещества капли.

4. При испытаниях активного катализатора на основе цинка максимальная экономия топлива (3,35 % при работе двигателя по нагрузочной характеристике, 5,4 % - по винтовой характеристике) наблюдалась при параллельном соединении секций катализатора.

5. При работе двигателя по нагрузочной характеристике на режимах 0,5Ре и 0,75Ре получена приблизительно одинаковая экономия топлива («3 % и «2 %, соответственно) как при его гидрировании, так и при обработке на цинковом катализаторе.

6. При работе двигателя на гидрированном топливе и топливе, обработанном с помощью цинкового катализатора, замечено изменение параметров рабочего процесса. Характер изменения параметров сохранялся при переходе с одного способа обработки топлива на другой.

7. На основании изложенного в пунктах 5 и 6 можно предположить, что механизмы воздействия описанных видов обработки топлива на рабочий процесс аналогичны. Сущность его заключается, по

1. Абросимов В.Ф. и др. Методы расчета теплофизических свойств газов и жидкостей // ВНИПИнефть, Термодинамический центр В/О Нефтехим. М.: Химия, 1974. 241 с.

2. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979.568 с.

3. Асакава К. Физические методы интенсификации процессов горения. Вопросы горения. // Материалы VI и VII международных симпозиумов по горению. -М.: Металлургиздат, 1963. С 236-262.

4. Астахов И.В. Подача и распыливание топлива в дизелях. М.: Машиностроение, 1972. 359 с.

5. Брилинг Н.Р., Вихерт М.М., Гутерман И.И. Быстроходные дизели. -М.: Машгиз, 1951. 520 с.

6. Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях: Пер. с англ. -М.: Химия, 1967. 256 с.

7. Гаврилов Б.Г., Гулин Е.И., Лесников А.П., Новикова Т.А. Химические основы термофорсирования двигателя дизеля // ЖПХ, АН СССР 1963. - т. XXXVI. С. 2498 - 2502.

8. Гальперин А.Е. Производство присадок к моторным и транспортным маслам. -М.: Химия. 1974. 236 с.

9. Гершман И.И. Влияние температуры топлива на период задержки воспламенения в дизеле и эмиссию сажи // ВИНИТИ М.: АН СССР. Экспресс-информация. 1974. Вып. 7 (54). С. 1 -7.

10. Гиршфельд Дж., Кертис Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей: Пер. с англ. -М.: Иностр. литер. 1961. 451 с.

11. П.Жданов A.C., Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений: Учебник. 4-е изд., испр. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. 512 с.

12. Зубрилов С.П., Ищук Ю.Г., Косовский В.И. Охрана окружающей среды при эксплуатации судов. Л.: Судостроение. 1989. 256 с.

13. Исследование влияния катализатора на характеристики и удельный расход топлива судового дизельного двигателя // Отчет о НИР. ЦЭЭВТ Н. Новгород: ВГАВТ, 1993. 60 с.

14. Ищук Ю.Г. Задержка воспламенения различных топлив в судовых дизелях. -Л.: Судостроение, 1986. 105 с.

15. Ищук Ю.Г. Топливо и полнота его сгорания в судовых дизелях. -Л.: Судостроение, 1985. 100 с.

16. Ищук Ю.Г. Интенсификация процесса сгорания топлива в судовых дизелях. -Л.: Судостроение, 1987. 56 с.

17. Каменецкая С.А., Славинская Н.А., Пшезецкий С.Я. Влияние озона на воспламенение углеводородов. Сб. Кинетика и распространение пламени. М.: Изд-во АН СССР, 1959. С 78-93

18. Камфер Г.М. Процессы тепломассообмена и испарения при смесеобразовании в дизелях. Учебн. пособие. -М.: Высшая школа, 1974. 143 с.

19. Киреев В.А. Краткий курс физической химии. Изд. 5-е, стереотипное. М.: Химия, 1978. 624 с.

20. Когарко С.М., Басевич В .Я. Промотирование горения распыленного жидкого топлива. // Физика горения и взрыва, 1977, т. 13, № 2, с. 275 -278.

21. Когарко С.М., Девишев М.И., Басевич В.Я. Исследование влияния активных частиц продуктов реакции на процессы горения в потоке. // Докл. АН СССР, 1959, т. 127, № 1.

22. Кондратьев В.М. Исследование влияния свойств топлив, полученных их ненефтяного сырья, на характеристики дизеля // ВИНИТИ. -М.: АН СССР. Экспресс-информация. 1985, вып. 33 (171). С. 11 15.

23. Кукушкин В.Л., Романов С.А., Свиридов Ю.Б. Измерительный голографический комплекс и методика исследования дизельного факела // Двигателестроение 1983, № 9. С. 24 - 26.

24. Кумагаи С. Горение: Пер. с японского. Химия, 1980. 256 с.

25. Лернер М.О. Химические регуляторы горения моторных топ-лив. -М.: Химия. 1979. 223 с.

26. Лышевский A.C. Системы питания дизелей: Учеб. пособие для студентов вузов. -М: Машиностроение, 1981. 216 с.

27. М.Х. Карапетьянц, С.Н. Дракин Строение вещества. Изд. 2-е. -М.: Высшая школа, 1978. 310 с.

28. Обельницкий A.M. Топливо и смазочные материалы. М.: Высшая школа. 1982. 200 с.

29. Павличенко A.M. Жуков В.П. Гидродинамический расчет процесса впрыска топлива с использованием ЭЦВМ. Николаев: Изд-во НКИ им. адм. С.О. Макарова, 1980. 40 с.

30. Петражицкий Г.Б. Обработка и обобщение результатов экспериментального исследования испарения капель. Тр. Одесского ун-та, 1970, т. 150. Сер. физ. наук, Вып. 7. С. 161 - 186.

31. Петриченко P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания. Учебн. пособие. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1983. 224 с.

32. ПокровскийГ.П. Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости. М.: Машиностроение. 1985. 200 с.

33. Разлейцев Н.Ф. К расчету испарения топлива в цилиндре дизеля на участке топливоподачи. // Двигатели внутреннего сгорания. Вып 23, Харьков, 1976. 143 с.

34. Разлейцев Н.Ф. Особенности смесеобразования и сгорания в тепловозных дизелях типа Д-70. // Двигатели внутреннего сгорания. Вып. 20, Харьков, 1974. С. 32-40.

35. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. -Л.: Химия, 1982. 592 с.

36. Ронинсон Л.С., Терентьев В.А. Опыт применения присадок па-роводородной смеси в транспортном дизеле // Двигателестроение 1982. №2. С. 20-33.

37. Рябчиков О.Б. Влияние перегрева тяжелых топлив на характеристики дизеля с неразделенной камерой сгорания // ВИНИТИ. М.: АН СССР. Экспресс-информация. 1986. Вып. 45 (220). С. 3 -8.

38. Саблина З.А., Гуреев A.A. Присадки к моторным топливам. -М.: Химия. 1977. 215 с.

39. Салимов А.У., Балабеков М.Т., Багдасаров A.M. Вопросы теории электростатического распиливания. Ташкент, «ФАН». 1968. 110 с.

40. Салтанов Г.А. Сверхзвуковые двухфазные течения. Минск: Думка, 1972. 479 с.

41. Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. Л.: Машиностроение, 1972. 224 с.

42. Селезнев Ю.В. Моделирование тепловыделения в дизелях через функцию топливоподачи и параметры смесеобразования. Харьков. 1980. Вып. 31. С. 47 -52.

43. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. Л.: Машиностроение. - 1972. 224 с.

44. Сомов В.А., Ищук Ю.Г. Судовые многотопливные двигатели. -Л.: Судостроение. 1984. 240 с.

45. Справочник по горюче-смазочным материалам в судовой технике / Гулин Е.И., Якубо Д.П., Сомов В.А., Чечот И.М. 2-е изд., пере-раб. и доп. - Л.: Судостроение, 1987. 224 с.

46. Старов A.A. Комбинированная подготовка моторного топлива для судовых дизелей барботированием водяного пара и кавитационной обработкой полученной эмульсии / Дисс. . канд. техн. наук. -Н.Новгород: ГИИВТ, 1990. 348 с.

47. Столяров Е.А., Орлова Н.Г. Расчет физико-химических свойств жидкостей. М: Химия, 1976. 112 с.

48. Торквато С., Смит П. Скрытая теплота парообразования широкого класса жидкостей // Тр. Амер. Об-ва инж.-механиков. 1984. № 1. 215 с.

49. Трусов В.И., Младенов МБ. К определению коэффициентов истечения для сопловых отверстий распылителей форсунок // Тр. МА-ДИ. Вып. 22, Москва, 1974. С. 51-55.

50. Устройство для обработки топлива для двигателя внутреннего сгорания: Описание изобретения № 1799429АЗ с приоритетом от 27.06.91.-М.: ВНИИПИ, 1993.

51. Фасман А.Б. Некоторые закономерности процесса гидрирования на никелевом катализаторе // Кинетика и катализ, т. 4, № 5. 1963. С. 1237-1242.

52. Фиалков Ю.Я., Житомирский А.Н., Тарасенко Ю.А. Физическая химия неводных растворов. Л.: Химия, 1973. 376 с.

53. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Учебн. для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Химия, 1984. 368 с.

54. Химия нефти и газа: Учеб. пособие для вузов / В.А. Проскуряков, А.Е. Драбкин. Л.: Химия, 1981. 359 с.

55. Элементы САПР ДВС: Алгоритмы прикладных программ: Учеб. пособие для вузов / P.M. Петриченко, С.А. Батурин, Ю.Н. Исаков и др. Л.: Машиностроение, 1990. 328 с.145

56. Brown B.H. Fuel treating devise and method. Патент США № 4429665 кл. F02M27/00. 1982.

57. Gal-Or В., Yaron i. Convective mass or heat transfer from size-distributed ensembler of drops, bubbles, or solid particles// Progress in heat and mass transfer, selected papers of 1970 International Seminar. Vol.5. Per-gamon Press, 1972.S.309-326.

58. Temple-Pediani R.W. Effect of pre-injection fuel temperature upon diesel engine ignition delay and soot emission. Proc. Inst. Mech. Eng., 1973, 187, №32, pp. 395-404.