автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Исследование работы топливной аппаратуры судовых дизелей на водотопливных эмульсиях

На правах рукописи^З^

■¿Г

БЕЛОВ Евгений Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ НА ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЯХ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 2004

Работа выполнена в Новосибирской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лебедев Олег Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Матиевский Дмитрий Дмитриевич;

кандидат технических наук, доцент Егоров Георгий Леонидович

Ведущая организация: Сибирский физико-технический

институт аграрных проблем

Защита состоится 14 июня 2004г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.008.01 при Новосибирской государственной академии водного транспорта по адресу: 630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, факс 22-64-68.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГАВТ.

Автореферат разослан 5 мая 2004 года.

Учёный секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В условиях рыночной экономики остро стоит вопрос об энергетической составляющей в затратах на производство и реализацию продукции, работ, услуг, в том числе и в транспортном секторе страны.

Одним из путей рационального использования горюче-смазочных материалов в дизельных установках является применение водотопливных эмульсий (ВТЭ). Многочисленные исследования, проведённые в этой области, убедительно показывают, что посредством использования ВТЭ можно существенно сократить расходы топлива и масла, улучшить экологические показатели двигателей и др

Однако до настоящего времени многие стороны применения эмульгированных топлив в дизелях изучены далеко недостаточно. В первую очередь сюда относятся особенности работы топливной аппаратуры и износа её трущихся деталей на этом топливе. Поэтому работы, посвященные исследованию данных вопросов, являются несомненно актуальными.

Цель работы заключается в исследовании особенностей процесса топливоподачи и износа трущихся деталей топливной аппаратуры дизелей, работающих на ВТЭ.

Методы исследования. В работе нашли применение как теоретические, так и экспериментальные методы исследования.

При проведении опытов использовались оригинальные экспериментальные установки и современная измерительная аппаратура (измерительный комплекс «Декарт» на базе компьютера Pentium-133, многоканальный фотоспектрометр и др.). Расчёты и обработка опытных данных проводились при помощи ЭВМ..

Достоверность полученных в работе научных результатов обеспечивается:

- использованием широко апробированного метода расчёта топливной аппаратуры, разработанного И.В. Астаховым;

- дополнительной проверкой метода расчёта топливной аппаратуры посредством сопоставления расчётных и опытных данных;

- использованием при проведении экспериментов современной поверенной измерительно-регистрирующей аппаратуры;

- многократным повторением наиболее важных экспериментов.

К новым научным результатам можно отнести материалы:

1. Численного исследования процесса топливоподачи в дизеле, работающем на ВТЭ.

2. Экспериментального исследования работы топливной аппаратуры (ТА) дизеля на эмульгированном топливе.

3. Рекомендаций по улучшению параметров топливоподачи при использовании ВТЭ.

4. Исследования закономерностей процессов изнашивания и трения в деталях ТА при работе на ВТЭ.

Апробация. Результаты исследования докладывались и обсуждались на: научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава НГАВТ, Всероссийском конгрессе двигателестроителей в г. Санкт-Петербург в июне 2003 г., Международном конгрессе «Мехтриботранс - 2003» в г. Ростов-на-Дону.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в десяти научно-технических статьях.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, общим объёмом 92 стр. Список использованной литературы содержит 113 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, даётся краткое описание проведённых исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе произведён обзор литературы по вопросу использования ВТЭ в дизелях. Показано, что применение водо-топливной эмульсии в дизельных двигателях позволяет улучшить их экономические и экологические показатели. Наряду с этим отмечено, что далеко не полностью изучено влияние ВТЭ на параметры топливоподачи и закономерности износа трущихся деталей топливной аппаратуры.

Приведены результаты экспериментов, свидетельствующих о том, что регулировка топливной аппаратуры дизеля при переводе его на ВТЭ открывает возможность дальнейшего улучшения его экономических показателей. При этом основными параметрами топливоподачи для регулирования являются углы опережения и

продолжительности впрыскивания. Рассмотрены методы, позволяющие решить эти задачи.

Далее проведён анализ известных методов расчёта динамики впрыскивания топлив. Для использования в данной работе принята методика расчёта, предложенная И.В. Астаховым.

Сделаны выводы по обзору и сформулированы задачи дальнейшего исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому (расчётному) изучению процесса топливоподачи при использовании ВТЭ. Как отмечено ранее, данное исследование проведено при помощи метода расчёта, разработанного И.В. Астаховым. В основе последнего лежит решение уравнений, описывающих движение топлива в нагнетательном трубопроводе (уравнения движения и неразрывности для одномерного нестационарного потока сжимаемой вязкой жидкости) совместно с

уравнениями граничных условий, описывающими процессы в

топливном насосе высокого давления и в форсунке.

Применительно к топливной аппаратуре двигателя 6ЧН18/22 оценены геометрические, массовые и гидродинамические исходные данные. Также, на основании литературных источников,- определены необходимые для расчёта физико-химические свойства ВТЭ. Исключение составила лишь скорость распространения" звука в топливных эмульсиях. Таких сведений в литературе найти не удалось.

Разработаны опытная установка и методика определения скорости звука в водотопливной эмульсии. В результате эксперимента получена зависимость искомого параметра от концентрации воды во ВТЭ.

Решение поставленной задачи (расчёт параметров топливоподачи при использовании ВТЭ) было реализовано методом Эйлера с автоматическим выбором шага для достижения необходимой точности расчета.

Апробация предложенного численного метода проведена посредством сопоставления расчётных и опытных данных. В качестве объекта сопоставления были выбраны диаграммы давления топлива на-входе и выходе трубопровода высокого давления. Опыты проводились на чистом дизельном топливе и его ВТЭ с массовым содержанием воды ^ =20%- Цикловая подача соответствовала номинальной

нагрузке двигателя 6ЧН18/22. Полученные данные показывают, что

экспериментальные и расчётные диаграммы согласуются между собой удовлетворительно.

Проведено численное исследование процессов топливоподачи в дизелях, работающих на водотопливных эмульсиях. Показано, что переход на ВТЭ существенно влияет на эти параметры. Так, в частности, установлено, что переход на эмульгированное топливо сопровождается ростом угла опережения и продолжительности подачи топлива. Последнее открывает дополнительную возможность повышения экономичности дизеля, работающего на ВТЭ. посредством сокращения этого параметра.

Проведён численный анализ способов сокращения продолжительности подачи топлива. Показано, что эту задачу можно решить посредством:

- увеличения диаметра плунжера ТНВД и числа распыливающих отверстий распылителя форсунки;

- соответствующего изменения профиля кулачка ТНВД;

- повышения усилия затяжки иглы форсунки (давления гидрозапора форсуночных игл).

Первые два метода сокращения продолжительности подачи топлива являются прерогативой дизелестроительных заводов и вряд ли могут быть осуществлены в эксплуатационных условиях. В связи с этим для дальнейшего исследования было принято третье направление, которое вполне может быть реализовано в условиях судоремонтных предприятий.

Я», °пхв 28-р

26 — 24- -22-20414

Рис. 1 Зависимости длительности впрыскивания топлива от давления гидрозапора форсунки двигателя 6ЧН18/22 6

Рис. 2 Зависимость угла опережения подачи топлива от давления гидрозапора

На рис. 1 и 2 представлены расчётные зависимости продолжительности и угла опережения подачи топлива от давления гидрозапора форсунок двигателя 6ЧН18/22 при работе на номинальном режиме. Из графиков видно, что посредством увеличения давления гидрозапора можно существенно сократить продолжительность и угол опережения подачи топлива. Это приближает параметры впрыска топлива к номинальным значениям. Данное наблюдение необходимо подтвердить экспериментально на действующем двигателе. При этом можно оценить и экономический эффект от предлагаемого мероприятия.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию двигателя 6ЧН18/22, работающего на ВТЭ. Принципиальная схема опытной установки для приготовления ВТЭ приведена на рис. 3.

Установка состоит из расходных емкостей топлива 1 и воды 2, а также смешивающе-дозирующей системы. Топливо подаётся из цистерны при помощи штатного топливоподкачивающего насоса двигателя. Постоянный уровень топлива в расходной ёмкости поддерживается с помощью поплавкового дозирующего устройства. Вода в расходную ёмкость поступает из системы городского водоснабжения. Смешивающе-дозирующая система состоит го эжектора 3 с установленным на нём циклоном 4. Часть эмульсии после эжектора поступает в циклон, где происходит её разделение на водяную и топливную фракции. Отделённая вода подаётся обратно в смесительную камеру эжектора, а топливо поступает на вход

шестеренного насоса 5. из которого под давлением подаётся в эжектор. Давление топлива перед эжектором контролируется при помощи пружинного манометра 7. Благодаря разрежению, создаваемому потоком топлива в эжекторе, в смесительную камеру последнего подсасываются вода и дизельное топливо из расходных ёмкостей. Требуемая концентрация воды во - ВТЭ обеспечивается установкой соответствующих топливного и водяного жиклёров. Это даёт возможность путём смены водяного жиклёра изменять процентное содержание водной фазы во ВТЭ. Расход топлива определялся при помощи весов 8, воды - посредством мерной ёмкости 9.

Рис.3 Принципиальная схема опытной установки по приготовлению ВТЭ

Эксперименты подтвердили результаты теоретических расчётов. Так. при переходе на ВТЭ увеличились, угол опережения и продолжительность подачи топлива, возросло давление впрыскивания. Одновременно было отмечено сокращение удельного эффективного расхода топлива (см. рис. 4).

Графики зависимостей продолжительности и угла, опережения подачи топлива от давления гидрозапора форсуночных игл приведены, соответственно на рис. 5,6.

Рис. 4 Зависимость удельного эффективного расхода топлива от процентного содержания воды во ВТЭ

Эксперименты проводились на номинальном режиме при использовании чистого топлива и его ВТЭ с содержанием воды =20%- Как и ожидалось, с ростом давления гидрозапора

рассматриваемые параметры топливоподачи уменьшились. При этом сократился и удельный эффективный расход топлива (см. рис. 7).

Рис. 5 Зависимость продолжительности подачи топлива от давления гидрозапора

14,0

-15,0 ----

'пкв

Рис. 6 Зависимость угла начала подачи топлива от давления гидрозапора

Ь„г/лс ч 190 т-

160 -I----

150 160 170 180 190 ра, кгс/см1

Рис. 7 Зависимость расхода топлива от давления гидрозапора

Было также проведено опытное исследование влияния подогрева ВТЭ на параметры топливоподачи и экономичность работы двигателя 6ЧН18/22. Это исследование было реализовано на чистом дизельном. топливе и его ВТЭ с массовым содержанием воды 20%. Опыты проводились на номинальном-режиме. Температура эмульсии была равна 35 и 60 °С. Результаты эксперимента сведены в таблицу.

Таблица

Зависимость параметров топливоподачи от температуры ВТЭ

Параметр Обозначение Размерность Чистое топливо ВТЭ-20

35 °С 60 °С

Угол начала подачи Фнп °ПКВ -12 -13 -12

Угол начала горения Фкг °ПКВ •4 -2 -3

Продолжительность подачи топлива фм °ПКВ 25 28 26

Удельный эффективный расход топлива ь. г/(л.с.' ч.) 184,8 174,2 171,3

Анализируя материалы таблицы, можно сделать следующие выводы:

1. При подогреве ВТЭ основные параметры топливоподачи (углы опережения и продолжительности впрыскивания топлива), а также углы начала горения и задержки воспламенения приближаются к значениям, характерным для чистого (безводного) топлива.

2. Подогрев ВТЭ сопровождается сокращением расхода топлива (~3г/(л.с.-ч.).

Четвёртая глава посвящена исследованию изнашивания топливной аппаратуры двигателя 6ЧН18/22 при работе на ВТЭ. Было проведено три серии опытов:

- на машине трения МТ-1;

- на машине трения МИ -1;

- на ТНВД, установленном на топливном стенде.

В качестве способа изучения динамики изнашивания трущихся деталей дизеля выбран метод спектрального анализа рабочей жидкости (дизельное топливо, ВТЭ, смазочное масло), как весьма точный и достаточно оперативный. Скорость изнашивания оценивалась по динамике изменения концентрации железа в рабочей жидкости. В качестве основного оборудования для проведения спектрального

анализа использовался многоканальный фотоспектрометр МФС-7, производства ЛОМО.

На машине трения МТ-1 проведены исследования процесса изнашивания деталей топливной аппаратуры при работе на чистом дизельном топливе и на его ВТЭ. Некоторые результаты исследования показаны на рис. 8. Здесь обозначено: CFe; CFeo - текущая и начальная концентрация железа в смазочном материале, г/т.

Рис. 8 Относительное изменение концентрации железа в дизельном и эмульгированном дизельном топливе

Из рисунка видно, что при переводе двигателя на ВТЭ высока вероятность увеличения скорости изнашивания прецизионных пар топливной аппаратуры.

На машине трения МИ-1 проведено изучение динамики изменения коэффициента трения материалов плунжера и втулки ТНВД. Установлено, что:

- коэффициент трения при использовании ВТЭ с 10%-ной присадкой воды имеет такую же зависимость от температуры, как и чистое дизельное топливо. При использовании ВТЭ с 30%-ной присадкой воды коэффициент трения заметно ниже. Дано объяснение этому наблюдению;

- коэффициент трения при использовании 30%-ной ВТЭ после трёх часов работы заметно выше чем у чистого дизельного топлива. Добавка к этой эмульсии 1% препарата «ФЕНОМ» привела к значительному снижению коэффициента трения.

Третья серия испытаний была проведена на топливной

аппаратуре двигателя 6415/18. Принципиальная схема установки приведена на рис. 9.

б

Рис. 9 Принципиальная схема опытной установки

Из расходного бака 1 топливо при помощи топливоподкачивающего насоса 2 подаётся на вход топливного насоса высокого давления 3, приводимого в движение устройством 4. Во время работы стенда топливо подаётся ТНВД через трубопровод высокого давления 5 на форсунки 6. Распыленное топливо собирается в сборной ёмкости 7 и снова поступает в расходный бак.

Пробы для спектрального анализа отбирались из ёмкости 7 и из картера ТНВД. Результаты спектрального анализа топлива, взятого из ёмкости 7, приведены на рис. 10.

С/г/СТга 1,50

1,40

1,30

1,20

1,10

1,00 **г* ---

0 5 10 15 20 Время, ч

Рис. 10 Относительное изменение концентрации железа в топливной

системе стенда

Качественно аналогичные кривые были получены при анализе рабочей жидкости, взятой из картера ТНВД. Анализ полученных данных показывает, что при переходе с «безводного» топлива на ВТЭ скорость изнашивания трибосопряжений, находящихся, как в самой топливной системе, так и в картере топливного насоса высокого давления уменьшается. Дано объяснение расхождению опытных данных, полученных при испытании ТА и на машине трения МТ-1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведённый анализ работ по применению водотопливных эмульсий в дизелях показал, что ВТЭ является мощным средством улучшения качества рабочих процессов этих двигателей (снижается расход топлива, сокращается угар смазочного масла, улучшаются экологические показатели и др.)

Однако такие вопросы как влияние ВТЭ на закономерности топливоподачи и на динамику износа трущихся пар топливной аппаратуры изучены недостаточно. Возникает задача восполнить этот пробел.

2. В результате специального анализа для теоретического исследования особенностей топливоподачи при использовании ВТЭ выбран метод расчета, разработанный И.В. Астаховым.

3. Экспериментально установлена зависимость скорости звука во ВТЭ от концентрации в ней воды. Сформулированы все необходимые исходные данные для расчёта, который был апробирован посредством сопоставления расчётных и опытных данных по топливоподаче.

4. На основании вычислительного эксперимента было установлено, что при переходе с «чистого» топлива на ВТЭ параметры топливоподачи заметно изменяются. Так, при этом возрастают угол опережения, давление и продолжительность впрыска топлива.

5. Посредством расчета показано, что угол опережения и продолжительность впрыска можно сократить путем увеличения давления гидрозапора форсуночных игл. При этом можно ожидать дополнительного снижения расхода топлива дизелем.

6. Испытания двигателя 6ЧН18/22 подтвердили результаты теоретических расчетов по влиянию ВТЭ на закономерности топливоподачи.

7. Увеличение давления гидрозапора форсуночных игл с 150 кг/см2 до 190 кг/см2, проведённое на двигателе 6ЧН18/22, привело при использовании ВТЭ к сокращению продолжительности впрыска топлива и уменьшению угла опережения подачи. При этом удельный эффективный расход топлива сократился дополнительно (к случаю простого перехода на ВТЭ).

8. При подогреве ВТЭ с 35 до 60°С параметры работы двигателя 6ЧН18/22 также изменились. Так, при этом уменьшились углы начала подачи и задержки воспламенения, сократился удельный эффективный расход топлива.

9. В качестве способа изучения динамики изнашивания трущихся деталей топливной аппаратуры дизеля выбран метод спектрального анализа рабочей жидкости (дизельное топливо, ВТЭ, смазочное масло), как весьма точный и достаточно оперативный.

10. Испытания проведённые на ТНВД, установленном на топливном стенде, показали, что при использовании ВТЭ износ трущихся пар этого устройства существенно меньше, чем на чистом дизельном топливе.

Публикации по теме диссертации

1. Белов Е.А. Определение скорости звука- в топливе и водотопливной эмульсии. // Дизельные, энергетические установки речных судов: Сб. науч. тр. Новосиб. гос. акад. вод. трансп. - Новосибирск, 2002. С. 15 - 17.

2. Белов Е.А., Калашников С.А., Мироненко И.Г. Численное исследование параметров топливоподачи при использовании водотопливных эмульсий. // Дизельные энергетические установки речных судов: Сб. науч. тр. Новосиб. гос. акад. вод. трансп. - Новосибирск, 2002. С. 79 - 86.

3. Белов Е.А. Исследование влияния концентрации воды в водотопливной эмульсии на параметры рабочего процесса дизеля 6ЧН18/22. // Дизельные энергетические установки речных судов: Сб. науч. тр. Новосиб. гос. акад. вод. трансп. -Новосибирск, 2003. С. 21 - 25.

4. Белов Е.А., Мироненко И.Г. Влияние давления гидрозапора на параметры топливоподачи дизеля 6ЧН18/22. // Дизельные энергетические установки речных судов: Сб. науч. тр.

Новосиб. гос. акад. вод. трансп. - Новосибирск, 2003. С. 26 -30.

5. Белов Е.А. Влияние подогрева водотопливной эмульсии на эксплуатационные показатели топливной аппаратуры дизеля. // Сиб. научный вестник / Новосиб. науч. центр «Ноосферныс знания и технологии» Российской Академии естественных наук. Вып. VI - Новосибирск, 2003. С. 60 - 61.

6. Белов Е.А., Ломухин В.Б., Мироненко И.Г. Изменение антифрикционных характеристик прецизионных пар топливной аппаратуры при работе на ВТЭ. // Журнал «Трение, износ, смазка» (электронный ресурс). - 2003. - Вып. 17.

7. Белов Е.А., Мироненко И.Г., Певнев А.Ф., Токарев А.О. К вопросу о применимости кондиционера металла «ФЕНОМ» в судовых дизелях. // Сиб. научный вестник / Новосиб. науч. центр «Ноосферные знания и технологии» Российской Академии естественных наук. Вып. VI - Новосибирск, 2003. С. 63-67.

8. Белов Е.А., Ломухин В.Б., Мироненко И.Г. Износостойкость основных деталей топливной аппаратуры при работе на эмульгированном топливе. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2003. - № 2. С. 106 - 112.

9. Белов Е.А., Мироненко И.Г., Певнев А.Ф. Износостойкость топливной аппаратуры судового дизеля при работе на водотопливной эмульсии. // Сборник докладов международного конгресса • «Механика и трибология транспортных систем - 2003». Том 1 - Рост. гос. ун-т путей сообщения, Ростов-на-Дону, 2003. С. 86-88.

10. Белов Е.А., Ломухин В.Б., Мироненко И.Г. Трибологические аспекты работы топливной аппаратуры дизеля на эмульгированном топливе. // Двигателестроение. - 2004. - № 1.С. 24-26.

Подписано в печать 26 апреля 2004 г. с оригинал макета. Бумага офсетная № 1, формат 60x84 1/16, печать трафаретная-Riso. Усл. печ. л. 1.0 тираж 100 экз., заказ № 13. Бесплатно.

Новосибирская государственная академия водного транспорта (НГАВТ),

630099 Новосибирск, ул. Щетинкина. 33. Лицензия ЛП №021257 от 27. 11.1997. Отпечатано в отделе оформления НГАВТ.

»11745

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЕЙ НА ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЯХ.

1.1 Использование ВТЭ - эффективный метод улучшения основных показателей дизелей.

1.2 Работа топливной аппаратуры на ВТЭ.

1.3 Выбор метода расчёта процесса топливоподачи.

1.4 Выводы по обзору. Постановка задач дальнейшего исследования.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТОПЛИВОПОДАЧИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВТЭ.

2.1 Общие сведения о методе расчёта топливоподачи.

2.2 Оценка исходных данных для расчёта процесса топливоподачи.

2.2.1 Нахождение физических свойств ВТЭ, которые определяют процесс подачи топлива.

2.2.2 Оценка геометрических и других исходных данных для расчета топливоподачи.

2.2.3 Анализ результатов вычислительного эксперимента.

2.3 Основные результаты исследования. Выводы.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЕЙ НА ВТЭ;.

3.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов.

3.2 Зависимость параметров топливоподачи от количества водной фазы во ВТЭ.

3.3 Влияние давления в системе гидрозапора форсунок на параметры топливоподачи и экономичность дизеля.

3.4 Влияние подогрева водотопливной эмульсии на эксплуатационные показатели топливной аппаратуры дизеля.

3.5 Основные результаты исследования. Выводы.

4 ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАБОТЫ ТОПЛИВНОЙ

АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЯ НА ЭМУЛЬГИРОВАННОМ ТОПЛИВЕ.

4.1 Методика определения износов деталей дизеля.

4.2 Исследование изнашивания деталей топливной аппаратуры на машине трения МТ-1.

4.3 Исследование коэффициента трения пар материалов

ТНВД на машине трения МИ-1.

4.4 Исследование изнашивания деталей топливной аппаратуры дизеля на топливном стенде.

4.5 Основные результаты исследования. Выводы.

В условиях рыночной экономики остро стоит вопрос об энергетической составляющей в затратах: на производство и реализацию продукции, работ, услуг, в том числе и в транспортном секторе страны. Это объясняется тем, что цены на топливо весьма высоки и продолжают быстро расти;

На водном транспорте широкое; распространение получили дизельные энергетические установки; которые потребляют большое количество дефицитных и дорогих,нефтепродуктов; (дизельное топливо, моторные масла и др.). Сокращение расходов последних представляет собой весьма актуальную задачу для речного флота. Одним из путей рационального использования горючесмазочных материалов в дизельных установках является применение водотоп-ливных эмульсий (ВТЭ). Как установлено многочисленными исследованиями, при этом:

1. Можно существенно сократить расходы топлива и смазочного масла.

2. Происходит снижение теплонапряжённости деталей дизеля при; сохранении; номинальной; мощности, либо возможно значительное увеличение мощности при сохранении остальных параметров работы двигателя. Таким образом, появляется возможность форсированной работы дизеля, например, при прохождении перекатов.

3. Сокращается нагарообразование в цилиндрах, что уменьшает их износ.

4. В результате более полного сгорания углерода снижается сажесодер-жание в выпускных газах двигателя; уменьшается доля оксидов азота, что снижает экологический ущерб при эксплуатации судов.

5. Увеличивается ресурс распылителей (распыливающие отверстия не за-коксовываются).

6. Эмульгирование топлива даёт широкие возможности использования различных присадок, которые хорошо растворяются в воде.

Таким образом можно констатировать, что перевод дизелей на ВТЭ является действенным методом улучшения качества их работы.

Однако: до настоящего времени некоторые аспекты! применения 1 эмульгированных топлив в дизелях изучены далеко недостаточно. Так, имеются весьма скудные; сведения о работе на ВТЭ топливной« аппаратуры* (ТА) двигателей. Практически? полностью отсутствуют сведения об износах ТА в; этих условиях: Данная работа направлена на изучение именно этих вопросов.

В^ результате; анализа? литературных; источников в качестве инструмента теоретического исследования; процесса топливоподачи при использовании ВТЭ выбран метод расчёта, разработанный И.В. Астаховым, как весьма точный и наиболее доступный:

На базе топливного стенда была создана; экспериментальная* установка' для нахождения скорости распространения ; звука в & эмульгированном« топливе. Получена зависимость этого параметра от содержания воды во ВТЭ.

Применительно к топливной аппаратуре двигателя 6ЧН18/22 оценены все исходные данные для расчёта:

Произведён вычислительный эксперимент, в результате которого изучено влияние концентрации воды во ВТЭ на основные параметры топливоподачи;

Так, в 5 частности; установлено,8 что с ростом увеличиваются продолжитель ность, угол опережения и максимальное давление впрыска топлива.

На»основе полученных данных намечены основные: пути улучшения параметров топливоподачи * при использовании * эмульгированных топлив. Эти рекомендации сводятся к увеличению усилия затяжки пружин форсунок и к подогреву ВТЭ при её впрыскивании в цилиндры дизеля:

Разработана экспериментальная установка, позволяющая исследовать работу, дизеля 6ЧН18/22 на ВТЭ с разным содержанием воды. Проведённые на ней испытания подтвердили результаты теоретических расчётов о влиянии ВТЭ > на закономерности топливоподачи. Эксперименты также показали правильность выбора способов улучшения параметров последней.

При помощи метода спектрального анализа проведены исследования закономерностей изнашивания деталей топливной аппаратуры двигателя 6ЧН18/22. При изучении износов трущихся пар ТНВД, последний был установлен на топливном стенде, а анализу подвергалось топливо, проходящее через насос.

Исследование показало, что при переходе на эмульгированное топливо износ трущихся деталей становится заметно меньше.

В соответствии с вышеизложенным, на защиту выносятся следующие положения:

1. Экспериментальная зависимость скорости распространения звука в во-дотопливной эмульсии от концентрации в ней воды.

2. Материалы численного исследования процесса топливоподачи при использовании ВТЭ.

3. Практические рекомендации по улучшению топливоподачи при использовании эмульгированного топлива.

4. Результаты испытаний двигателя 6ЧН18/22, которые, в частности, подтвердили действенность предложенных практических рекомендаций по улучшению параметров топливоподачи.

5. Итоги износных испытаний деталей топливной аппаратуры дизеля при использовании водотопливных эмульсий.

4.5 Основные результаты исследования. Выводы

1: В качестве способа изучения динамики износа трущихся деталей топливной аппаратуры выбран метод спектрального анализа рабочей жидкости (дизельное топливо, ВТЭ, смазочное масло), как достаточно точный и весьма оперативный.

2. На машине трения МТ-1 проведены исследования процесса износа деталей топливной аппаратуры при работе на чистом дизельном топливе и его

• < у/ г 1 1——■ 1 Л-0,2 ■ ВТЭ-20

ВТЭ. Испытания показали, что при использовании ВТЭ дизельного топлива происходит интенсификация износов.

3. На машине трения МИ-1 проведено изучение динамики изменения коэффициентов трения материалов плунжера и втулки ТНВД. Показано, что:

- коэффициент трения при использовании ВТЭ с 10 %-ной присадкой воды имеет такую же зависимость от температуры, как и чистое дизельное топливо. При использовании ВТЭ с 30 %-ной присадкой воды коэффициент трения заметно ниже.

- коэффициент трения при использовании 30 %-ной ВТЭ после тринадцати часов работы заметно выше чем у чистого дизельного топлива. Добавка к ВТЭ 1 % препарата «ФЕНОМ» привела к значительному снижению коэффициента трения.

4. Испытания, проведённые на ТНВД, установленном на топливном стенде, показали, что при использовании ВТЭ износы трущихся пар существенно меньше, чем при работе на чистом дизельном топливе.

79

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведённый; анализ работ по применению водотопливных эмульсий в; дизелях показал, что ВТЭ является мощным средством улучшения * качества рабочих процессов этих двигателей (снижается расход топлива, сокращается угар смазочного масла; улучшаются экологические показатели и др.).

Однако такие вопросы как влияние ВТЭ на закономерности топливопода-^ чи и на динамику изнашивания трущихся деталей топливной аппаратуры дизелей изучены недостаточно. Возникает задача восполнить этот пробел.

2. В результате специального анализа для? теоретического5 исследования; особенностей; топливоподачи при использовании ВТЭ выбран метода расчёта, разработанный И.В: Астаховым.

3. Экспериментально установлена зависимость скорости: звука во ВТЭ от концентрации в ней воды. Сформулированы все необходимые исходные данные для; расчёта; который был апробирован посредством сопоставления расчётных и. опытных данных по топливоподаче;

41 На основании вычислительного эксперимента было установлено, что при I переходе с безводного топлива на ВТЭ параметры топливоподачи заметно изменяются. Так, при этом возрастают угол«опережения, давление и продолжительность впрыска топлива.

5: Посредством расчёта % показано, что угол опережения > и; продолжительность впрыска можно сократить путём увеличения давления гидрозапора форсуночных игл. При этом можно ожидать дополнительного снижения? расхода топлива дизелем.

6. Испытания двигателя 6ЧН18/22 подтвердили результаты теоретических «I расчётов по влиянию ВТЭ на закономерности топливоподачи.

7. Увеличение давления гидрозапора форсуночных игл с 150 кгс/см2 до 190 кгс/см2, проведённое: на двигателе 6ЧН18/22, привело к сокращению продолжительности впрыска топлива и уменьшению угла опережения подачи при использовании ВТЭ. При этом удельный эффективный расход топлива сократился дополнительно (к случаю простого перехода на ВТЭ).

8. При подогреве ВТЭ с 35 до 60 °С параметры работы двигателя 6ЧН18/22 также изменились. Так, при этом уменьшились углы начала подачи и задержки воспламенения, сократился удельный эффективный расход топлива.

9. В качестве способа изучения динамики изнашивания трущихся деталей дизеля выбран метод спектрального анализа рабочей жидкости (дизельное топливо, ВТЭ, смазочное масло), как весьма точный и достаточно оперативный.

10. Испытания, проведённые на ТНВД, установленном на топливном стенде, показали, что при использовании ВТЭ износ трущихся пар этого устройства существенно меньше, чем на чистом дизельном топливе.

81

1., №10,2001, - 147 с.

2. Апипа В.Л. Сокращение расхода смазочного масла в судовых дизелях. Дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук, Новосибирск, 1998, 99с.

3. Антонов В.Е. Повышение эксплуатационной экономичности судовых дизелей посредством их перевода на водотопливную эмульсию дизельного топлива. Дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук, Новосибирск, 1996, -129с.

4. Антонов В.Е. Применение водотопливной эмульсии ? при изменении диаметра отверстий распылители дизеля 6ЧНСП18/22. труды НИИВТ «Энергетические установки речных судов», Новосибирск, 1991, с. 91 931

5. Антонов ВШ., Бузуков А.А., Тимошенко Б.П. Экспериментальное изучение процессов развития видимой части струи ВТЭ, распыленной в газовой среде. Труды НИИВТ «Дизельные энергетические установки речных судов»; Новосибирск, 1993, с. 32 38.

6. Антонов В ;Е., Данщиков В.В: Физико-математическая модель тепломассообмена капли водотопливной эмульсии с газовой средой: Сб. «Повышение эффективности судовых энергетических установок», Новосибирск, 1989, с. 115 -121.

7. Астахов И.В. Гидравлический расчёт и выбор основных параметров топливных систем двигателей с воспламенением от сжатия / Тр. НИЛД, № 1, 1955, с. 115 -205.

8. Астахов И.В: Динамика процесса впрыска топлива в быстроходных дизелях / Тр. ЦИАМ, № 154, 1948, 89с.

9. И. Балакин В.И., Еремеев А.Ф., Семёнов Б.Н. Топливная аппаратура быстроходных дизелей. Л;: Машиностроение, 1967. - 299с.

10. Батурин С.А., Квятковский В.И:, Лебедев О Н:, Носов В.П: Исследование процессов смесеобразования и тепловыделения в судовом дизеле при работе на эмульгированных топливах. Труды НИИВТа, вып. 100, Новосибирск, 1975, с. 54 68.

11. Ф 17. Завлин М.Я. Влияние давления впрыскивания топлива на смесеобразование и характеристику выделения теплоты в дизеле. Двигателестроение, № 8, 9,.1991, с. 24 -27.

12. Засс Ф. Бескомпресорные двигатели дизеля. М.: ОНТИ, 1935.

13. Иванов И.А. Исследование работы дизеля ЯАЗ — 204 на топливно-водяной эмульсии. Тезисы, XXXIII научно-технической конференции кафедр РИИЖТ, Ростов-на-Дону, 1965, с.51- 521

14. Иванов И:А. Исследование работы транспортных дизелей на топлив-но-водяных эмульсиях, полученных с помощью акустического гидродинамического излучения. Автореферат дисс. На соискание уч. степени канд. техн. наук, Ростов-на-Дону, 1967, 24 с.

15. Клопотной А.Е. Исследование износа некоторых основных; деталей' двигателей 64 18/22 при работе на водотопливной эмульсии. Труды НИИВТ, Вып. 41, 1968, с.72-80.

16. Клопотной А.Е. Опыт эксплуатации двигателей 6418/22 на топливно-водяной эмульсии. Материалы XII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава НИИВТ, Новосибирск, 1969, с. 15 16.

17. Клопотной А.Е., Котельников В.Ф., Лебедев О.Н. Экспериментальное исследование тонкости : распыления топливно-водяных эмульсий. Труды НИИВТ, Вып. 46, Новосибирск, 1970, с.85 96.

18. Клопотной А.Е;, Лебедев О.Н., Носов В.П., Сушко Б.Г. Исследование возможности форсирования дизеля по среднему индикаторному давлению путём перевода его на водотопливную эмульсию. Труды НИИВТ, Вып. 63, Новосибирск, 1971, с.63 69.

19. Клопотной А.Е., Лебедев О.Н. О применении топливно-водяных эмульсий в судовых дизелях. Производственно-технический сборник МРФ РСФСР. Вып. 105,1972, с: 48 52;

20. Корницкий С.Я. О сжигании обводнённых мазутов. Известия ВТИ им. Дзержинского, М. 1935, № 10, с.172 176.

21. Криман Р.И. Экспериментальное исследование работы судового двигателя на водотопливных эмульсиях. За технический прогресс, №11, 1966, Баку, с.38-40.

22. Лебедев Б.О. Эффективный метод снижения масла на угар в судовых дизелях. Сб. «Техническая эксплуатация; и исследование судовых энергетических установок». Издание НИИВТ, Новосибирск, 1985, с. 25-29.

23. Лебедев 0:Н. Работа двигателей на эмульгированном моторном топливе. Речной транспорт, №4,1976, с.41 42.

24. Лебедев О.Н., Марченко В.Н. Исследование процессов испарения и сгорания капель эмульгированного моторного топлива. Двигателестроение, №2, 1979, с.26 27.

25. Лебедев О.Н., Сисин В.Д. Исследование некоторых особенностей движения струи; распыленной эмульсии. Труды НИИВТ, Вып. 100, Новосибирск, 1975, с.З -7.

26. Лебедев О Н:, Сомов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов. Изд-во «Транспорт», М., 1990, 328 с.

27. Лебедев О.Н., Сомов В-А., Пушнин В.П: Гипотеза о механизме разрушения выпускных; клапанов дизелей; работающих на тяжёлых сортах топлива. Двигателестроение, № 7,1983; с. 59 60.

28. Лютц О. Процессы впрыскивания;в закрытых форсунках бескомпрессорных дизелей / Двигатели внутреннего сгорания. Сборник монографий из иностранной литературы. Перевод под ред. С.Н. Васильева, т. V, ОНТИ; 1939:

29. Мироненко И.Г. Исследование работы высокооборотного дизеля на водо-топливной эмульсии дизельного топлива. Сб. научн. тр. НИИВТ «Повышение уровня технической эксплуатации судовых дизелей», Новосибирск, 1987, с. 41 -43.

30. Мироненко И:Г. Результаты испытаний водотопливногодиспергато-ра ДРП-240 в судовых условиях. Сб. научн. тр. НИИВТ «Совершенствование судовых энергетических установок», Новосибирск, 1990, с. 40 41.

31. Мироненко И.Г., Токарев А.О:, Кожевников А.В. Влияние кондиционера металла «Феном» на триботехнические характеристики трущихся пар / Трение, износ, смазка (электр. ресурс), 2002, вып. 12 7 с.

32. Натанзон В.Я. О динамике топливной системы двигателей дизеля / Тр. ЦИАМ, № 20, 1936, с. 77 118.

33. Носов В.П.' Эффективный способ сжигания тяжёлого топлива в судовых среднеоборотных дизелях. Дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук, Новосибирск, 1981, 174с.

34. Петриченко И.Н. Исследование сгорания водотопливной эмульсии мазута в бомбе постоянного объёма., Сб. «Энергетические установки? речных судов», Новосибирск, 1991; с. 68 73.

35. Петриченко И.Н: Особенности работы топливной аппаратуры при использовании водомазутной эмульсии. Сб. «Дизельные энергетические установки речных судов», Новосибирск, 1996, с. 137 — 146.

36. Петриченко И.Н. Применение мазута в среднеоборотных дизелях речного флота. Дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук, Новосибирск, 1997,-206с.

37. Петриченко И:Н. Физико-химические свойства водо-мазутных эмульсий. Сб. «Дизельные энергетические установки речных судов», Новосибирск, 1996, с. 104- 117.

38. Петров В.Н: О некоторых особенностях рабочего процесса дизеля при использовании топливно-водяных эмульсий.

39. Петров В Н. Применение водотопливных эмульсий и некоторые вопросы экономики. Труды Ленинградского кораблестроительного института, Вып. 56, 1967, с. 83 -87.

40. Петров В Н. Работа дизеля на топливно-водяной эмульсии. Сб. статей Мурманской обл., «Пищевая промышленность», НТО, 1967, с. 34 37.

41. Пишингер А. О механике впрыскивания топлива; под давлением / Двигатели внутреннего сгорания. Сборник монографий из иностранной литературы. Перевод под ред. С.Н; Васильева, т. V, ОНТИ, 1939.

42. Погребинский З.Б. Некоторые: результаты исследования двигателей; внутреннего сгорания, работающих на топливных эмульсиях. Труды Хабаровского института инженеров железнодорожного транспорта, Вып. 29, 1967, с. 53 57.

43. Путинцев С.В. И свершилось чудо! / Автомобиль не роскошь. Журнал для автомобилистов, № 1,2000, с: 16 17.

44. Селиверстов В.Н., Браславский М.И; Экономия топлива на речном флоте. Изд-во «Транспорт», 1983, М., 230 с.

45. Семёнов Б.Н., Иванченко Н.Н; Задачи повышения топливной экономичности дизелей и пути их решения. Двигателестроение, № 11, 1990, с. 3 7.

46. Сергеев Л.В. Процессы горения топливных эмульсий в двигателях внутреннего сгорания. Материалы V Всесоюзной конференции по испарению и горению дисперсных систем. Одесский; государственный университет, Одесса,1965; с.67-68.

47. Сергеев Л.В:, Иванов В.Н: Применение топливно-водяных эмульсий в двигателях внутреннего сгорания. Издательство «Наука», Сб. «Новые методы сжигания топлив и вопросы теории горения», 1965, с. 162 166.

48. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: Учебник для ВУЗов / ИИ: Беркович, Д.Г. Громаковский; Под ред. Д.Г. Громаковского; Самар. гос. техн. ун-т. самара, 2000, 268с.

49. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник. Л.: Машиностроение, 1974, - 264с.

50. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. - Л;: Машиностроение, 1990, - 352с.

51. Файнлейб Б.Н., Гинзбург А.М., Рапопорт Л:А. Уточнённая математическая модель гидродинамического расчёта топливоподачи в топливных системах с одноплунжерными насосами распределительного типа / Тр. ЦНИТА, № 48,1971, с. 25 -32:

52. Файнлейб Б.Н., Крук Б.А. Уточнённая методика расчёта процесса топливоподачи в дизелях на ЭЦВМ / Тракторы и сельхозмашины, 1973, с. 4 -7.

53. Фомин Ю.Я. Гидродинамический расчёт топливных систем судовых дизелей. М.: Морской транспорт, 1959. - 84с.

54. Фомин Ю.Я., Никонов Г.В., Ивановский В.Г. Топливная аппаратура дизелей: Справочник. М;: Машиностроение, 1982. — 168с.

55. Ценев В.А. Особенности работы дизелей на водо-топливных эмульсиях. Химия и технология топлив и масел, № 12,1983, с. 12 14.

56. Adkins Philip. The burning of emulsified fuel in medium speed diesel engine. Fairplay Int. Ship Weekly. 281, № 5132,1982, p. 27, 29.

57. Armstrong G., Katsoulakos P. Oil water emulsions as fuel / Mot. ship, 60, №716, 1980, p. 37-38.

58. Bobev P., Bachvarov S., Nenkov N. Flasibijity of water-oil emulsion application of fuel for ship engines. 4th Int. Congr., Varna, May, 1987, Vol; 5, p. 188.

59. Cornet J., Nero W. Emulsified; fuels in compression ignitions engines. Industry and Engineering Chemie, Vol; 47, 1955, p.2133 2141.

60. Eichelberg G. Dynamische Vorgange in Luft- und Brennstoffleitungen / Zeitschrift for technische Physik, № 10,1929, s. 461 465.

61. Fox J. System Provides Fuel Saying For Ship / Containes News (USA), 17, № 7, 1982, p. 36-37.

62. Gillberg G., Friberg S. Hicroemulsion as Piesel Fuels u Evaporation -Combust Fuel: 172nd Meet. Amer. Chem. Soc. San Francisco. Calif., 1976, Washington DC, 1978, p. 221-231.

63. Collins A. Bell shipping group pours water on troubled oils / Technol. Irel., 14 №2, 1982, p. 17-18.

64. Grzywacz Stanislaw, Hulanicki Slawomir. Mozliwosci zastosowaia emulsji paliwowo wodnych do zasilania silnikow okretowych / Budown. Okret., 22, № 12, 1977, c. 492 -497, 509.

65. Grzywacz Stanislaw, Hulanicki Slawomir. Wstepne badania wplywu spalania emulsji paliwowo wodnych na prace silnika wisokopreznego R VD136/ Budown: Okret., 25, № 7, 1980, c. 270 - 272.

66. Hamid Ahmed. Emulsion eau-fiiel of emulsion eau fuel combustible pour moteurs a pollution ambiante reduite. These dock, ing: Univ. Pierre et marie Curie. Paris, 1976, 81p.

67. Hughes FA. Emulsified fuel produces savings on shipboard trials / Motor ship, 62, № 740, 1982, p. 61 62.92; Hughes F.A. Emulsifiers for fuel economy / Shipbuild. and Mar. Eng. Int., 105, №2661, 1982, p. 387 388.

68. Hughes F.A. Performance on emulsified fuel / Mar. Propuls. Int., Apr., 1984, p. 40-42.

69. Ishii Y., Takeuchi R. Application of emulsified fuels for a small diesel engine. Trans. ASAE, 17, № 5, 1974, p.864 866:

70. Kato T., Tsujimura K., Shintany M., Minami T., Yamaguchi I. Spray characteristics and combustion improventent of DI diesel engine with high pressure fuel injection. SAE Techn. Pap. Ser. № 890265, 1989, p. 15 25.

71. Lawson A., Last A.I. Modified fuels for diesel engines by application of unstabilized emulsions / SA Techn. Pap. Ser., № 790925, 1979, p. 16.

72. Long Z., Matsumoto R., Ogata K., Ohde Y. Combustion of emulsified fuel in high speed diesel engines. Bulletin of the M. E. S. J. V.17, № 1, March, 1989, p.12 -18.

73. Meyer G., Schiffher E. Technische Thermodynamik. Leipzig: VEB Fachbuchverlag, 1980. - 375s.

74. Minami Т., Yamaguchi I., Shintany M. Analisis is of fuel spray characteristics and combustion phenomena under high pressure fuel injection. SAE Techn. Pap. Ser. № 900438,1990, p. 1-12.

75. Mitsuhashi Kasuya, Takasaki Kiyoshi, Nakagawa Hiroshi, Ando Kotaro, Ujile Yoshinory. Application of emulsified ftiel: on diesel engine / Jap. Shipbuild. and Mar Eng., 13, № 1, 1979, p. 34 44.

76. Neunreister Otto, Bererhadt Frank. Kraftstofiver brauchssenkung durch Einsatz von Kraftstoff Wasser - Emulsionen in Dieselmotoren / Seewirtschaft, 16, № 1, 1984, p. 28-29.

77. Oda Kenichi, Yamada Toshio. Burning of oil/water emulsified fiiel on fishing boat engine / Bull. Nut. Res. Inst. Fish. Eng., № 3, 1982, p. 173 -176.

78. Okada H., Utsumi H:, Nakano S. Soot Formation in the Combustion of Emulsion Fuel droplets / Bull. Mar. Eng. Soc. Jap., 8, № 4, 1980, p. 346 - 351.

79. Sache I. Wieviel Wasser erzeugt der Verbrennungsmotor / Kraftfahrzeugtechnik, № 5, 1980, s. 139 140.

80. Stepnik A., Hulaicki S. Spalanie emulsji paliwowo-wodnych z dodatki em azotanu w silniku. 5 BAH / bud. okret., 27, № 2,1982, s. 45 49.

81. Thompson R.V., Thorp I., Armstrong G., Katsoulakos P. The Burning of Emulsified Fuel in Diesel Engines. «Trans. Inst. Mar. Eng.» C93, № 10, 1981, p. 19 -25.

82. Thorp I., Armstrong G., Katsoulakos P. Running diesels on water / Mar. Week, Febr., Suppl. 1980,18,20.

83. Thorp I., Armstrong G., Katsoulakos P. The application of oil-water emulsions as a diesel engine fuel / Trans. N. E. Coast Inst. Eng. And Shipbuild., № 3, 1980, p. 115-126.