автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Применение мазута в среднеоборотных дизелях судов речного флота

Новосибирская государственная академия ----------------водного транспорта_____________________

На правах рукописи УДК 365.753.4:629.122

ШМЕНЕНИЕ МАЗУТА В СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЯХ СУДОВ РЕЧНОГО ФЛОТА

Специальность

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК 1997

Работа выполнена в Новосибирской государственной академии водного транспорта

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор, академик Oil. Лебедев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

академик PAT ДД. Матиевский канд ид ат технических наук, доцент АП. Рыжков

Ведущее предприятие - АО«ЗСРП»

- Защита состоится 27 июня 1997 г. в 1430 часов в 214 аудитории на заседании диссертационного совета К-116.05.01 при Новосибирской государственной академии водного транспорта по адресу: 630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирской государственной академии водного транспорта.

Автореферат разослан ......1997 года

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью предприятия, просим направлять в адрес указанного диссертационного совета.

Ученый секретарь

д иссертационного совета К-116.05.01

кандидат технических наук, доцент

Г.С.Юр

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Переход экономики России к рыночной системе хозяйственных отношений сопровождается значительным повышением цен на энергоносители, в первую очередь на жидкие нефтяные топлива, которые являются основным видом горючего дня судовых энергетических установок. Рост цен привёл к тому, что расходы на топливо в последние годы существенно увеличились и, например, по данным АО "ЗападноСибирское речное пароходство" в 1996 году составили 21 % от общей суммы затрат. Один из путей снижения этой статьи расходов - использование дешёвых сортов топлива, позволяет, при определённых условиях, получить ощутимое уменьшение эксплуатационных затрат. На речном флоте уже накоплен опыт сжигания в среднеоборотных дизелях (СОД) моторного топлива ДТ. Повысить экономическую эффективность перевода СОД на тяжёлое топливо можно в результате расширения ассортимента используемых остаточных топлив за счёт применения топочного мазута 40. Мазут этой марки выпускается в достаточно больших объёмах всеми нефтеперерабатывающими предприятиями Сибири и Дальнего Востока и его цена значительно ниже, чем у моторного топлива Д Т.

Цель исследования- выяснение возможности использования топочного мазута 40 в среднеоборотных дазелях судов речного флота с целью уменьшения расходов на топливо.

Методика.. В работе использовались как экспериментальные, так и теоретические методы исследовании. При проведении опытов применялась современная измерительная и регистрирующая техника (электронные индикаторы давления, скоростная кинокамера и Др.). Обработка результатов экспериментов проводилась методами математической статистики и регрессионного анализа. Для расчётов использовался персональный компью тер.

Достоверность и обоснованность пощ'ченных результатов обеспечивается применением современной поверенной измерительной аппаратуры и проверкой соответствия теоретических выводов опытным данным.

Научная новизна. Изучены физико-химические свойства водотоплнв-ной эмульсин (ВТЭ) топочного мазута 40, дня расчёта некоторых из них пред ложены эмпирические зависимости.

В результате анализа расчётного и экспериментального материала установлены некоторые особенности процессов топливоподачи, распылнва-ния, макро- и микросмесеобразования мазута и водомазутной эмульсии (ВМЭ).

Исследованы закономерности процессов самовоспламенения и сгорания мазута и ВМЭ в камере сгорания постоянного объёма.

Экспериментально подтверждено, что эмульгирование мазута водой является эффективным способом его сжигания в судовых СОД и позволяет обеспечить надёжную и экономичную работу двигателей.

Практическая ценность работы состоит в том, что внедрение полученных результатов в практику обеспечивает возможность эффективного сжигания топочного мазута 40 в СОД судов речного флота и позволяет снизить затраты на топливо.

Реализация. Научные выводы и практические рекомендации диссертационной работы реализованы в Западно-Сибирском речном пароходстве, что подтверждено соответствующим актом о внедрении

Апробация. Основные результаты исследовании докладывалось и обсуждалось на научных конференциях в НГАВТ (НИИВТ) и на Всесоюзном семинаре "Рабочие процессы в ДВС с ограниченным отводом тепла", проходившем в 1990 г. в г. Новосибирске.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 научно-технических статьях.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения с копией акта о внедрении результатов диссертационной работы. Работа содержит 121 стр. машинописного текста, 81 рис. и 14 табл. Список использованных источников включает 169 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы дассертавди, даётся краткое описание проведённых исследований, сформулированы основные положения работы, представляемые к защите.

В первой главе в результате анализа фактических показателей качества тяжёлых топлив, выпускаемых нефтеперерабатывающими предприятиями, расположенными в регионах Сибири и Дальнего Востока, показано, что по таким характеристикам как вязкость, содержание механических примесей, минеральных солей и серы они обладают значительным запасом качества по сравнению со значениями, регламентируемыми соответствующими стандартами. При этом по таким показателям как зольность и содержание механических примесей мало- и низкосернистые сорта мазута 40 практически не отличаются от моторного топлива ДТ и флотских мазутов. Это позволяет без существенного усложнения схемы предварительной обработки топлива и, следовательно, без значительного увеличения затрат по подготовке к сжиганию использовать топочный мазут 40 с содержанием серы до 1 % в судовых СОД, приспособленных дня работы на топливах вязкостью до 36 мм2/с (50 °С). Более высокая вязкость топочного мазута не является препятствием для его использования в судовых СОД , так как она может быть снижена до необход имого уровня посредством подогрева, смешения с дистнллятными сортами или комбинированным использованием этих способов.

Анализ опубликованных материалов исследований по применению тяжёлых топлив в среднеоборотных дизелях показал, что основной причиной ухудшения технико-экономических показателей двигателей при переводе их

на тяжёлые топлива является увеличение продолжительности сгорания по сравнению с работой на дизельном топливе. Хотя в большинстве случаев при испытаниях распространённых на речном флоте моделей СОД на моторном топливе ДТ н флотском мазуте Ф-5 их показатели не выходили за пределы, установленные заводами-изготовителями, качество рабочего процесса заметно ухудшалось, о чём свидетельствовали повышенный расход топлива, дымность и температура отработавших газов. Увеличение длительности и снижение полноты сгорания тяжёлых топлив сопровождаются повышенными коксо-, саже- и нагарообразованием и, как следствие, увеличением интенсивности изнашивания и уменьшением надёжности и ресурса д изеля.

Пропедённый анализ известных способов интенсификации сгорания топлив в дизельных двигателях выявил, что наиболее доступным и эффективным методом улучшения характеристик процесса сгорания тяжёлых топлив является их эмульгирование с водой. Данный метод достаточно прост в технической реализации и показал высокую эффективность при использовании в СОД моторного топлива Д Т. Особо следует отметить, что дня сжигания тяжёлого топлива в виде ВТЭ не требуется внесения каких-либо изменений в конструкцию узлов и агрегатов двигателя. Установка приготовления ВТЭ может быть выполнена в виде компактного автономного модуля с различной степенью автоматизации.

Данный способ интенсификации сгорания тяжёлых топлив и был положен в основу последующих исследований, при проведении которых ставились следующие задачи:

- исследовать физико-химические и трибологические свойства ВТЭ на основе топочного мазута 40;

- исследовать особенности тошшвоподачн при работе дизеля на мазуте и ВМЭ;

- проанализировать особенности смесеобразования при использовании мазута и ВМЭ;

- исследовать с помощью камеры сгорания (КС) постоянного объёма (статической дизельной бомбы) особенности воспламенения и сгорания мазута и ВМЭ;

- провести испытания судового СОД на ВМЭ.

Вторая глава посвящена исследованию физико-химических и триболо-гических свойств ВТЭ топочного мазута 40. Изучались дисперсный состав а стабильность ВТЭ с массовым содержанием воды от 5 до 40 %, полученной с помощью разработанной в НГАВТ модульной установки, в которой роль диспергатора - гомогенизатора выполняет сопловын аппарат (эжектор) специальной конструкции. Данное устройство обеспечивает приготовление мелкодисперсной ВТЭ и эффективное дробление механических примесей. Если пробы мазута, использовавшегося дан получения ВТЭ, содержали механические включения размером до 250-300 мкм, то в гомогенизированном мазуте и ВТЭ частицы загрязнений более 5 мкм не обнаружены. Диаметр капель д испергированной воды в пробах ВТЭ, отобранных перед ТНВД не

превышал 10 мкм (большинство часгац дисперсной фазы имело размер 1-3 мкм). При повышении содержания воды в ВМЭ средний размер капель несколько возрастал из-за увеличения числа капель с размерами 4-5 мкм и уменьшения количества капель диаметром 1-3 мкм. Предложено объяснение данного эффекта. При микроскопическом исследовании проб ВТЭ, отобранных перед форсункой, установлено, что частицы вода подвергаются дополнительному диспергированию в топливной системе дизеля. Причиной этого, вероятно, является дросселирования потока во впускном отверстии втулки плунжера и в зазоре между сед лом и корпусом нагнетательного клапана, а также волновые процессы в нагнетательном трубопроводе.

Структура ВМЭ, распыленной форсункой, близка к монодисперсной (более 90 % частиц дисперсной фазы имеют размер 1-2 мкм). Дисперсный состав ВТЭ после форсунки практически не зависит от содержания вода.

ВТЭ топочного мазута, благодаря повышенной вязкости и плотности последнего, обладает хорошей седиментационной стабильностью. Естественные эмульгаторы (ПАВ), входящие в состав мазута, замедляют процесс коагуляции и обеспечивают высокую агрегатавную устойчивость эмульсии (частицы диаметром более 15 мкм образуются в ВМЭ только после 60 дней отстаивания).

С помощью ротационного вискозиметра с коаксиальными цилиндрами типа Иео1еБ1 НУ исследованы вязкостно - температурные характеристики топочного мазута и его ВТЭ. Предложена эмпирическая формула, связывающая значение коэффициента д инамической вязкости ВМЭ с аналогичной характеристикой мазута и массовой концентрацией вод ы в эмульсии.

Методом максимального давления в пузырьке измерено поверхностное натяжение мазута и его ВТЭ в д иапазоне изменения температуры от 20 до 90 °С. Установлено, что поверхностное натяжение ВМЭ в значительно меньшей степени чем вязкость зависит от содержания вода. Предложена эмпирическая формула для расчёта поверхностного натяжения ВТЭ мазута.

Показано, что ВТЭ мазута, несмотря на необход имость её подогрева до более высокой по сравнению с "безводным" топливом температуры, не предъявляет повышенных требований к обеспечению противопожарной безопасности, так как имеет более высокую температуру вспышки в закрытом тигле. Температура вспышки ВМЭ линейно возрастает по мере увеличения концентрации воды.

В результате опытов на машине трения МИ-1м изучено влияние д испергированной в мазуте воды на величину коэффициента трения скольжения. Установлено, что при использовании в качестве смазочной жидкости ВМЭ с массовым содержанием вод ы 0,25 коэффициент трения скольжения ниже, чем в случае "безводного" мазута. Высказывается предположение, что снижение коэффициента трения обусловлено повышением в присутствии вода эффективности естественных ПАВ, содержащихся в большом количестве в мазуте.

В третьей главе с помощью эксперимента и известных методов расчёта исследуются особенности тошшвоподачи, распиливания и смесеобраэо-вания при использовании мазута и его ВТЭ. В результате опытов на стенде, имитирующем работу топливной системы дизельного двигателя с ТНВД золотникового типа, установлено, что при использовании ВМЭ параметры процесса тошшвоподачи определяются вязкостью эмульсии, которая зависит от содержания воды и температуры подогрева. При одинаковой вязкости ВМЭ и "безводного" мазута закономерности топливоподачи идентичны. Это позволило предположить, что такие характеристики, как сжимаемость и скорость звука у мазута и его ВТЭ отличаются незначительно и поэтому эти различия не оказывают заметного влияния на процесс топливоподачи.

Исследование качества распиливания показало, что более высокая по сравнению с дизельным топливом вязкость мазута обуславливает ухуд шение мелкости распиливания. При вязкости мазута 15 мм2/с средний объёмный диаметр капель увеличивается на 20 % по сравнению с дизельным топливом. Из-за более грубого распиливания мазута уменьшается суммарная поверхность капель в топливо-воздушной струе и увеличивается время их испарения.

Так как при сжигании топлива в виде ВТЭ цикловая подача увеличивается пропорционально концентрации воды в эмульсии, то суммарная поверхность капель ВТЭ в струе также возрастает (при условии, что мелкость распиливания ВТЭ и "безводного" топлива од инакова)

Тонкость распыливання ВТЭ улучшается в сравнении с "безводными" тоштвамн только в том случае, если вязкость эмульсии не очень значительно превышает вязкость топлива.

При изучении влияния свойств топлив на параметры макросмесеобразования установлено, что из-за более высоких (по сравнению с дизельным топливом) вязкости и плотности мазута возрастают скорость продвижения и дойна топливо-воздушной струи. В результате увеличивается вероятность попадания топлива на стенки КС. Угол рассеивания струи, наоборот, уменьшается из-за чего, несмотря на увеличеш1е её длины, снижаются объём и . площадь фронтальной поверхности и, соответственно, ухудшается использование воздушного заряда и уменьшаются локальные значения коэффициента избытка воздуха.

С помощью вычислительного эксперимента на математической модели, описывающей изобарное сферически симметричное испарение изолированной капли топлива в неподвижной неограниченной газовой среде проанализированы особенности микросмесеобразовання при использовании мазута и его ВТЭ. При проведении расчётов начальная температура капель дизельного топлива и мазута (ВМЭ) принималась равной 40 °С и 90 °С соот ветственно. Установлено (рис.1), что при параметрах газовой среды, характерных для КС д изельных д вигателей, продолжительность испарения капель мазута, даже при условии обеспечения од инаковой с дизельным топливом

мелкости распиливания, превышает время испарения капель последнего на 30 %. Если же диаметр капель мазута выше на 20 % чем в случае дизельного топлива, разница во времени испарения достегает 100 %.

¿о,МКМ

Рис.1. Зависимости времени испарения от начального диаметра капли и температуры среды, р=4 МПа, 1«=800 °С: 1 - дизельное топливо, 2 - мазут,

Ъ=600 °С: 3 - дизельное топливо, 4 - мазут На основании анализа опубликованных экспериментальных материалов показано, что вероятность присутствия гетерогенных зарод ышей кипения в каплях ВТЭ, распыленной дизельной форсункой весьма мала. Поэтому при испарении капель ВТЭ в условиях КС д изельных двигателей имеются все условия для перегрева частиц дисперсной фазы: малый объём нагреваемой жидкости; высокое давление, препятствующее быстрому росту паровых пузырьков на начальной стадии кипения; высокая плотность тепловых потоков. Из-за отсутствия достаточного количества посторонних центров кипения, в большинстве капель ВТЭ фазовый переход вода-пар будет происход ить на флуктуацнонных центрах.

Оценка коэффициента диффузии макроскопических частиц сферической формы (в предположении, что их движение подчиняется закону Стокса) с использованием второго соотношения Эйнштейна и закона Смо-луховского-Эйнштейна показала, что из-за высокого сопротивления диффузии транспорт пузырьков пара и частиц воды в каплях ВТЭ к их поверхности диффузией практически отсутствует. Вероятность возникновения внутренних конвективных течений в каплях ВТЭ, распыленной дизельной форсункой также мала. Поэтому состав капли ВТЭ не изменяется.

Для анализа процесса тепломассообмена капель ВТЭ использовалась вышеупомянутая модель испарения капли топлива. Эмульсия считалась монодисперсной, процессы дробления и слияния частиц дисперсной фазы не учитывались. Капиллярное давление также не принималось во внимание, так как оно существенно только для капель д иаметром менее 1 мкм.

Момент вскипания воды в капле ВТЭт^ определялся из условия, что тщя этого достаточно появления в ней всего одного зародыша. Это условие имеет вид

ъ

где Уд - объём воды в капле ВТЭ, м3;

. частота зародьппеобразования, т.е.среднее число зародышей парообразования, образующихся за одну секунду в единице объёма метастабильной жидкости, м'3 • с1; t¿- температура капли, °С.

Отсчёт времени ведётся от момента тв достижения температуры насыщения воды ^ при заданном внешнем давлении р. Частота появления паровых пузырьков рассчитывалась по теории гомогенного флуктуационного зародьппеобразования.

При достаточно высоких перегревах количество тепла, запасёвпого перегретой жид костью значительно, поэтому при достижении температуры интенсивного спонтанного зародьппеобразования часть воды, для испарения которой не требуется дополнительного подвода тепла, практически мгновенно превращается в пар. Кипение при этом имеет взрывной характер. Масса воды, для испарения которой не требуется дополнительного подвода тепла, определяется из выражения

и__(2)

-:->

-Чу

где тнг- масса образующегося пара,

- масса воды в капле,

- изобарная теплоёмкость воды, теплота испарения воды,

г^ - температура предельного перегрева.

Расчёты процесса тепломассобмена капель ВТЭ мазута 40 с массовым содержанием воды =0,25 показали, что при внешнем давлении 4 МПа к моменту спонтанного вскипания воды капля прогревается до температуры около Б95 К Из-за сильной зависимости частоты флуктуационного зароды-шесбразовашю }=/(в (1) от температуры степень дисперсности эмульсии (при заданном содержании вод ы) слабо влияет на величину температуры начала кипения и, соответственно, на продолжительность прогрева капли до этой температуры. При давлении среды 4 МПа отношение количества

тепла, запасённого перегретой водой к моменту вскипания, к теплоте испарения составляет <= 0,25, то есть 25 % воды практически мгновенно превращается в пар. С большой вероятностью можно предположить, что в результате этого капля ВТЭ разрушается. Известные экспериментальные данные подтверждают существование "микровзрывов" при д авлениях, характерных для КС дизелей.

4,мхм

Рис. 2. Зависимости времени прогрева капли ВТЭ с =0,25 до температуры спонтанного вскипания воды от её начального диаметра и температуры среда (р=4 МПа, 1 - ^=600 °С, 2 - ^=800 °С)

Сопоставление времени прогрева капель ВМЭ с =0,25 т,ь до температуры вскипания вода (рис.2) с продолжительностью испарения капель мазута такого же размера (рис.1) показывает, что тл Л «0,4. Так как образующиеся при разрушении исходной капли ВТЭ мелкие осколки испаряются достаточно быстро, а температура Ъд ниже значений, при которых начинается пиролиз мазута (а 620 К), то можно предположить, что при сжигании топлива в виде ВТЭ уменьшается не только время испарения капли ВТЭ в сравнении с каплей мазута, но и количество формирующегося коксового остатка.

Четвёртая глава посвящена исследованию закономерностей самовоспламенения и сгорания топочного мазута 40 и его ВТЭ с массовым содержанием вода до 30 % с помощью камеры сгорания постоянного объёма (дизельной бомбы). Начальное избыточное давление воздуха в КС при проведении опытов составляло в разных сериях 1,6; 3,2 и 4,8 МПа, начальная температура изменялась от 640 до 900 К Частота вращения кулачкового вала ТНВД - 200,375 и 900 мин"1. Д авление начала впрыскивания во всех опытах оставалось постоянным - 21 МПа. Температура подогрева мазута и ВМЭ - 90 °С. В экспериментах с эмульгированным топливом цикловая подача регулировалась таким образом, чтобы независимо от изменения концентрации вода в ВТЭ количество топлива оставалось постоянным.

В результате анализа диаграмм давления в КС установлено, что воспламенение мазута при давлении воздуха в КС 3,2 МПа и температуре заряда ниже 870 К имеет даухетадийный характер. Первая стадия характеризуется достаточно медленным нарастанием давления. Вторая стадия - резкое повышение давления. По мере увеличения температуры воздушного заряд а

4,5

(п X

4

3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5 О

1,1 1,15 1,2 1,25 1,5

а)

1,35 1,4 1,45 1000/Т. К '

1пТ;

» - мазут 40, Рц-4,8 МПа -мазут 40, Ро-3,2 МПа ° - топливо "Л", Рц-4,8 МПа ■ » - топливо "Л", Ро-3,2 МПа-«- топливо "Л"

1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35 1,4 1,45

1 ооо/г, г-'

0)

Рис. 3. Зависимости периода задержки воспламенения от температуры и давления среды при частоте вращения вала ТНВД: а - п„=200 мин'1, б - п«=900 мин'1

продолжительность первой стадии сокращается и при температуре выше 870 К она становится практически неразличимой. У ВМЭ при данном давлении среды двухстадийный характер воспламенения сохраняется во всём исследованном д иапазоне изменения температуры.

4

ЫХ;

3,5

3 2,5

2 1.5 2

0,5 О

4

3,5 3 2,5

¿к

0

1,1 1,13 1,2 1,25 1,3 1,35 1,4 1,45

1000/Г, к-'

* * ЫАЗуТ 40

« ВМЭ с £—0.1

о - ВМ Я с Е—0.2

• - ВМЭ с £.-0.3

1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35 1,4 1,45

1000/Т, К1

б)

Рис. 4. Зависимости периода задержки воспламенения от начальной температуры воздуха н давления, пк=375 мин"1: а)-Ро=3,2 МПа, б)- Ро=4,8 МПа

С помощью скоростной кннорегистрации установлено, что в струе мазута иегоВТЭ, в отшгшеот дизельного топлива, воспламенение которого происходит в одном очаге, расположенном на расстоянии примерно 4050 мм от носика распылителя, возникает несколько очагов, что, очевидно, обусловлено, с одной стороны, большей химической активностью тяжёлых тошпш, а с другой - более высокой степенью неоднородности в топливо -воздушной струе. Особенностью сгорания струи ВМЭ является возникновение через некоторое время после начала горения очага вторичного воспламенения, от которого пламя распространяется по ещё неохваченной горением часта струи. Его местоположение (=50 мм от носика распылителя) совпадает с расположением од ного из первоначальных очагов.

Величина периода задержки воспламенения (ПЗВ) является одной из важнейших характеристик моторного топлива, определяющих его воспламеняемость. Одновременно продолжительность ПЗВ в значительной степени предопределяет характеристики процесса сгорания, а, следовательно, технико-экономические показатели дизеля. Косвенным критерием воспламеняемости может также служить температура самовоспламенения - минимальная температура при которой происходит самовоспламенение топлива, впрыскиваемого форсункой в КС. В результате опытов установлено, что самовоспламенение мазута, водомазутной эмульсии с содержанием воды до 30 % и дизельного топлива марки Л происходит при примерно одинаковой температуре порядка 650±10 К.

При одних и тех же условиях (параметрах воздушного заряда в КС и частоте вращения вала ТНВД) ПЗВ мазута выше, чем у дизельного топлива (рис. 3).

Эмульгирование мазута водой увеличивает ПЗВ топлива. Степень увеличения зависит от концентрации воды в ВМЭ (рис. 4).

В результате обработки опытных данных с использованием метода наименьших квадратов получены эмпирические формулы для расчёта ПЗВ при воспламенении мазута и его ВТЭ в условиях КС постоянного объёма.

'[-2680,31,58^ 0 54з4^2'

г,- = 0,518 • 10~3 476р-°>55 ехр

где x¡ - ПЗВ мазута, мс;

¿зо - средний объёмный диаметр капель для порции топлива,

(3)

впрыскиваемой в КС в течение ПЗВ, мкм;

Р,Т - давление, МПа и температура воздушного заряда, К.

Анализ зависимостей ПЗВ водомазутной эмульсии от концентрации вода построенных в координатах Inx-, -f(1000/T), показал, что в

пределах точности эксперимента они являются эквидистантными (¡рис. 4). Поэтому ПЗВ ВМЭ можно выразить через ПЗВ "безводного" мазута

InXb^ltlTi+k, до

где tie - ПЗВ водомазутной эмульсии, мс;

Х1 - ПЗВ "безводного" мазута, мс; - эмпирический коэффиц иент. При £;*=0Д...0,3 для коэффициента к получена зависимость:

к = 1Л8&м. (5)

Таким образом, формула для расчёта ПЗВ водомазутной эмульсии в КС постоянного объёма имеет вид

т-Цщ!^ (6)

Средняя квадратичная ошибка аппроксимаций (3) и (6) не превышает 0,5 мс при изменении параметров в диапазонах: Т=740...900 К, Р=3,2...4,8 МПа, йзо=20...30 мкм.

кГЬ

1600 Ш)

ш

1000

800 40

*с 30

20

10

0о k

о " 4 а 4 , i A а •

А 0 » »»1

■

4

» '-1 L » -2

4 0 »•3 • 4

А 4 0 'i' к

а " 0 • S J к

аь

1600

14»

1300

1000

ЬЯс

800 45

»-1 '-2 О-З •4

700 750 800 850

а)

90S %К

Д5

25

1,5

• 4 A

A A *

»4 • В Ч,4

4

мг

О)

Рис. 5. Зависимости максимального давления и продолжительности сгорания от температуры воздуха в бомбе -а) и величины ПЗВ -б), Ро=4,8 МПа: 1 - топливо "Л", 2 - мазут 40, Пя=200 мин"1; 3 - топливо "Л", 4 - мазут 40, Пя=900 мин"1

Сравнение зависимостей максимального давления Рта в КС и условной продолжительности сгорания тс (от воспламенения до момента дости-

ОГПТ,

г!Ъ

1800

1600

1400

1200

ш

жения Рщах) мазута и дизельного топлива от начальной температуры заряда показало, что при низкой температуре воздушной среды мазут сгорает неэффективно (рис.5а). При высокой температуре мазут сгорает более полно и с большей средней скоростью, чем дизельное топливо.

Указанные отличия обусловлены изменениями динамики процессов смесеобразования и воспламенения из-за различия физико - химических свойств топлив. На рис.56 представлены зависимости Ртяг и тс от величины ПЗВ. Видно, что при коротких ПЗВ и качественном распыливании (высокой частоте вращения вала ТНВД) сгорание мазута и дизельного топлива харак

теризуется одинаковой эффективностью, о чём свидетельствует совпадение (в пределах точности эксперимента) значений Ршн и тс для обеих топлив.

Кинорегистрация процесса сгорания при температуре заряда 873 К показала, что продолжительность основной фазы сгорания (до момента, когда в пламени появляются разрывы и оно распадается на отдельные очаги, догорающие раздельно), а также конфигурация и размеры области, занимаемой пламенем в этот период, у дизельного топлива и мазута существенно не отличаются. Наибольшие различия наблюдаются в завершающей стадии сгорания. Если у дизельного топлива отдельные очаги пламени з зоне оси струи и пристеночной области КС догорают достаточно быстро, то у мазута про цесс сгорания значительно затягивается.

Из-за низкой испаряемости мазута часть его попадает в пристеночную область КС, что приводит к переобогащению смеси и затягиванию сгорания в этой зоне. Если учесть, что основной причиной свечения пламени яв-

ь

Тг

800 45

в о в ■1

■ 1 ■ * О ■ «2

А <3

•

1

Д5

¿5

15

■ 0 А *

А А

' о' * 4 . « 0«

ыи

Рис. 6. Зависимости максимального давления и продолжительности сгорания от ПЗВ, Р0=4,8 МПа, п„=900 мин1: 1- мазут 40;

2 - ВМЭ с ^=0,1; 3 - ВМЭ с £*=0,3

дается излучение сажевых частиц, образующихся при сгорании топлива, то длительное интенсивное свечение пламени в пристеночной области свидетельствует о повышенном сажевыделении.

При сжигании ВМЭ по мере увеличения концентрации вода сокращается время догорания в центральной часта струи. Одновременно уменьшаются продолжительность и яркость свечения пламени в пристеночной области и его размеры.

При £„=0,3 свечение пламени в пристеночной области практически отсутствует, что свидетельствует о значительном снижении сажевыделения.

Проведённое дополнительное исследование сгорания мазута н ВМЭ с поверхности тигля, помещённого в калориметрическую бомбу, заполненную воздухом под д авлением 3 МПа под твердило существенное уменьшение саже- н нагарообразования в случае использования эмульсин. Интенсификацию сгорания мазута при его сжигании в виде ВМЭ подтверждают и данные рис. 6.

В пятой главе приведены результаты стендовых испытаний судового СОД типа бЫбОРКБ (6ЧН16/22,5) на ВТЭ топочного мазута 40, основные

характеристики которого приведены ниже:

Плотность при 20 °С, кг/м3...............................................924

Вязкость условная, °ВУ при 50 °С...............6.0(43,8)

(кинематическая, мм2/с) при 80 °С...............2,4(15,0)

Коксуемость, %..................................................................5,5

Температура вспышки в закрытом тигле, °С......................78

Содержание серы, %...........................................................0,7

Содержание механических примесей, %.........................0.025

Теплота сгорания низшая, кДж/кг.................................41423

Температура эмульсии перед ТНВД автоматически поддерживалась равной 95 0С.

На рис. 7 представлены зависимости основных параметров рабочего процесса д вигателя от содержания вод ы в ВТЭ (значения соответствующих показателей при работе на д изельном топливе отмечены на оси орд инат) на номинальном режиме работы, а на рнс. 8 - зависимости относительной скорости сгорания топлива от угла поворота коленчатого вата. Необходимо отметить, что пред варительные эксперименты показали, что работа д изеля на "безводном" гомогенизированном мазуте возможна только на нагрузке 50 % от номинальной. При этом расход последнего был значительно выше расхода д изельного топлива. При нагружении двигателя до 75 % и тем более до 100 % номинальной мощности возрастали дымность и температура ОГ и через некоторое время температура охлаждающей жидкости и масла выходила за пределы, установленные заводом-изготовителем, т.е. двигатель начинал перегреваться. Поэтому дальнейшие испытания проводились только на ВТЭ.

аде.

— — <ЬеЛ1(р - 042 5 1Г 1 --да-------- ......ВМЭ с 1.-040 ----ВМЭ с £«-0,18

н едо 1 -----вмэ с !;_-о.зо

404.

0 1 1 • -м-ч—

•10 О 10 20 30 <0

50 60 70 80

ф. °пкв относи-

0,05

0,15

0Л5

0,35

Рис. 8. Зависимости тельной скорости сгорания топь лива от угла ПКВ

При анализе полученных результатов в первую очередь обращает на себя внимание тот факт, что при переходе с дизельного топлива на ВМЭ увеличиваются период задержки воспламенения и максимальное давление сгорания, а температура отработавших газов и их дымносгь снижаются. Чем выше содержание воды в ВМЭ, тем в большей степени проявляются указанные изменения. Продолжительность сгорания дизельного топлива на

Рис. 7. Зависимости параметров работы дизеля на номинальном режиме от содержания воды в ВМЭ

номинальном режиме »60 °ПКВ. Характеристика тепловыделения в этом случае имеет трапещгедальную форму с крутым передним фронтом и достаточно продолжительным участком на котором скорость сгорания остаётся практически постоянной. Форма характеристики сгорания при работе на ВМЭ близка к треугольной с крутым передним фронтом. Скорость тепловыделения в начале сгорания ВМЭ значительно выше, чем при сгорании дизельного топлива. Поэтому при работе на эмульсии оптимальными оказываются более поздние чем в случае дизельного топлива значения угла начала сгорания. По мере повышения содержания воды в ВМЭ продолжительность её сгорания сокращается и при 4*=0,3 становится равной ~ 64 °ПКВ. Скорость тепловыделения в конце сгорания близка к нулю, поэтому несмотря на то, что это значение несколько выше, чем в случае дизельного топлива эффективный КПД дизеля не ухудшается, о чём свидетельствует весьма незначительное отличие расхода мазута (приведённого к теплоте сгорания дизельного топлива) от расхода последнего. Дымность отработав-

ших газов при ^»=0,3 имеет такое же значение, как при работе на дизельном топливе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что топочный мазут 40 потенциально пригоден для использования в сред необоротных дизелях речных судов. Перевод СОД на мазут позволяет значительно снизить затраты на топливо, так как цена мазута существенно ниже стоимости д изельного топлива. Однако, для обеспечения надёжной и экономичной работы двигателей на мазуте необходимо решить проблему организации качественного рабочего процесса.

2. На основании анализа различных методов интенсификации сгорания топлив в дизельных д вигателях высказано предположение, что весьма эффективным и достаточно простым в технической реализации способом улучшения качества рабочего процесса СОД при использовании в них мазута может быть эмульгирование последнего с водой.

3. Экспериментально изучены физико-химические свойства водома-зутной эмульсии. Предложены эмпирические зависимости для расчёта коэффициентов динамической вязкости и поверхностного натяжения ВМЭ.

4. В результате испытаний на машине трения установлено, что коэффициент трения скольжения при использовании в качестве смазочного материала ВМЭ ниже, чем в случае "безвод ного" мазута, поэтому естественно предположить, что скорости изнашивания деталей топливной аппаратуры при работе на эмульсии также могут уменьшится.

5. На стенде, имитирующем работу топливной системы дизеля, изучены особенности топливоподачи мазута и его ВТЭ. Установлено, что угол опережения впрыскивания при переходе с д изельного топлива на мазут и его ВТЭ не изменяется. При одинаковой вязкости мазута н его ВТЭ закономерности их топливоподачи совпадают.

6. С помощью расчётов по известным метод икам и анализа опубликованных экспериментальных данных выявлены особенности процессов распиливания н макросмесеобразования дизельного топлива, мазута и его ВТЭ. Показано, что из-за более грубого распиливания мазута суммарная поверхность капель в топливо-воздушной струе уменьшается. Более высокая по сравнению с дизельным топливом вязкость и плотность мазута и его ВТЭ обуславливает увеличение скоростей продвижения топливо-воздушных струй. При этом возрастает вероятность попадания части топлива на поверхности КС.

7. В результате анализа особенностей испарения вода в обратных ВТЭ показано, что при испарении капель ВТЭ в условиях КС дизельных д вигателей имеются все условия для перегрева частиц дисперсной фазы. Последний увеличивает вероятность вторичного дробления капель ВТЭ ("микровзрыва"), так как вскипание перегретой воды имеет взрывной характер. С помощью вычислительного эксперимента на математической модели рас-

считано время прогрева капель ВТЭ моторного топлива ДГ до температуры

начала интенсивного кипения воды на центрах флуктуационной природа.--------

Сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными В.Н. Марченко показало достаточно хорошее совпадение полученных значений со временем существования капель ВТЭ до "микровзрыва".

Температура спонтанного вскипания вода ниже значений, при которых начинается термического разложение мазута. Так как мелкие капли, образующиеся при "микровзрыве" исходной капли ВТЭ, испаряются достаточно быстро, то в результате вторичного дробления не только увеличивается скорость испарения топлива, но и уменьшаются размеры формирующихся коксовых частиц (ценосфер), что благоприятно сказывается на их последующем выгорании.

8. Исследованы особенности воспламенения и сгорания мазута и его ВТЭ с массовой долей воды до 30 % в КС постоянного объёма (дизельной бомбе) при параметрах воздушного заряд а, характерных для КС дизелей.

В результате экспериментов установлено, что минимальная температура при которой происходит самовоспламенение впрыскиваемого в бомбу топлива д ля мазута, водомазутной эмульсии с содержанием вода до 30 % и д изельного топлива марки "JI" примерно одинакова - 650±10 К.

Воспламенение мазута при давлении воздушного заряда в КС 3,2 МПа н температуре ниже 870 К имеет двухстаднннын характер. Двухстащпшое воспламенение ВМЭ при данном давлении среды наблюдается во всём исследованном диапазоне изменения температуры.

Для мазута характерно затянутое по сравнению с дизельным топливом догорание переобогащёшшх топливом областей в центральной частя струи н у стенок КС. Эмульгирование мазута с водой позволяет значительно снизить продолжительность выгорания топлива на оси струи и при содержании воды в ВМЭ 30 % устраняет затягивание сгорания топлива в пристеночной зоне КС.

9. Испытания в лабораторных условиях судового сред необоротного дизеля показали, что эмульгирование топочного мазута водой позволяет организовать качественный рабочий процесс и обеспечить эксплуатацию двигателя на этом топливе.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Петриченко И.Н. Особенности сгорания мазута М-40, впрыскиваемого в высокотемпературный воздушный заряд. - Сб.: Прикладные задачи гидромеханики на водном транспорте. - Новосибирск, 1990. - с. 24-30.

2. Воспламенение и сгорание водотопливных эмульсий в условиях повышенных температур и давлений / Бажайкин А.Н., Бузуков A.A., Мироненко И.Г., Петриченко И.Н., Тимошенко Б.П.//Рабочие процессы в ДВС с ограниченным отводом тепла. Всесоюзный семинар

19-22 июня 1990 гЛез. докл.: Новосибирск / ИТПМ СО АН СССР. -1990г.-с. 34.

3.Петриченко И.Н. Исследование сгорания водотопливной эмульсии мазута в бомбе постоянного объёма. - Сб.: Энергетические установки речных судов. - Новосибирск, 1991. - с. 68-73.

4. Петриченко И.Н. Самовоспламенение мазута и водомазутной эмульсии в бомбе постоянного объёма. - Сб.: Дизельные энергетические установки речных судов. - Новосибирск, 1993. - с.150-156.

5. Петриченко И.Н. Применение топочных мазутов в судовых среднеоборотных дизелях. - Сб.: Дизельные энергетические установки речных судов. - Новосибирск, 1994. - с.73-77.

6. Петриченко И.Н. Физико-химические свойства водомазутных эмульсий. Сб.: Дизельные энергетические установки речных судов. - Новосибирск, 1996. - с.104-117.

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