автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Регулируемая рециркуляция отработавших газов в системе комплексного снижения токсичных выбросов среднеоборотного дизеля речного судна

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

Актуальность направления. Цели и задачи работы. Методика 5 исследования. Реализация работы. Структура и объем работы.

ГЛАВА 1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ВРЕДНЫХ 7 ВЫБРОСОВ ОГ СДВС, СПОСОБЫ И АНАЛИЗ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ

1.1. Современные требования по ограничению вредных выбросов 7 ОГ судовых дизелей

1.2. Анализ способов снижения токсичных выбросов судовых ди- 13 зелей

1.2.1. Основные способы снижения токсичных выбросов

1.2.2. Нейтрализация и фильтрация отработавших газов

1.2.3. Рециркуляция отработавших газов

1.3. Экспериментальные исследования с целью выбора направления 32 исследования

1.4. Анализ способов регулирования РОГ

1.5. Задачи исследований

Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА 46 БАЗЕ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ 64 18/22. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1 Состав экспериментального стенда

2.2. Имитация работы дизель - генератора ДГР 100/750 с двигателем 48 64 18/22 по винтовой характеристике

2.3. Система рециркуляции отработавших газов дизеля 6418/22 50 2.3/(Описание фильтра нейтрализатора.

2.4. Методика испытаний и обработка полученных результатов

2.5. Приборы и аппаратура для измерений параметров работы дизе- 55 ля

2.6. Приборы для замеров компонентов в ОГ дизеля

2.7. Методика оценки доли отработавших газов идущих на рецир- 61 куляцию

Выводы по второй главе

Глава 3. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 72 ИССЛЕДОВАНИЙ ДИЗЕЛЯ 64 18/22 ПО ВИНТОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ С КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ КОМПЛЕКСНОГО СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ.

3.1. Токсичные выбросы судового дизеля 64 18/22 при работе по 72 винтовой характеристике.

3.2. Исследование работы судового дизеля 64 18/22 с системой час- 80 тичной рециркуляции ОГ.

3.3. Исследование влияния комбинированной системы на ком- 85 плексной снижение токсичности ОГ судового дизеля 64 18/22.

3.4. Исследование параметров судового дизеля при различной доли 90 рециркуляции ОГ

3.5. Результаты экспериментального исследования влияния рецир- 94 куляции ОГ при охлаждении рециркуляционного трубопровода Выводы по третьей главе

Глава 4. «Метод расчетного анализа влияния рециркуляции 99 отработавших газов на показатели дизеля и результаты расчетных исследований»

4.1. Задачи расчетного исследования снижения оксидов азота.

4.2. Метод расчета рабочего процесса ДВС

4.3.Приближенная оценка выбросов NOx по величине хртах

4.4. Методика расчетной оценки е'кох при рециркуляции ОГ

4.5. Расчет параметров трубопровода рециркуляции ОГ

4.6. Влияние режимов эксплуатации судов на выбор параметров 118 системы рециркуляции отработавших газов

4.7. Закон регулирования рециркуляции при изменении режима ра- 125 боты пропульсивного дизеля

Выводы по третьей главе

Для проверки на соответствие судовых дизельных двигателей по предельным выбросам Ж)х в Приложении МАРПОЛ рекомендуется применять испытательные циклы и весовые коэффициенты в соответствии с методиками испытаний и методов расчетов, установленные в Техническом кодексе по ЫОх [92]. Так, например, для главных судовых дизелей согласно приложению МАРПОЛ следует применять испытательный цикл Е2 (Таблица 1.2.).

В Техническом кодексе по Ж)х изложен ряд вопросов, связанных с сертификацией судовых дизелей, с оформлением документов для этих целей и с методиками измерений (см табл.1.2.).

Таблица 1.2.

Испытательный цикл главного судового дизеля, работающего по винтовой характеристике [83]

Испытательный цикл типа ЕЗ Отношение частоты вращения кол. вала к номинальной частоте вращения, п/пи 1,000 0,908 0,794 0,630

Отношение эффективной мощности к ее номинальному значению, Ре/Рен 1,00 0,75 0,50 0,25

Весовой коэффициент режима 0.20 0.50 0,15 0.15

Нормы на выбросы токсичных веществ в ОГ зависят от среднего эффективного давления Рте и удельного расхода топлива Ье при работе новых дизеле на номинальной мощности даны в Таблице 1.3. и дизелей прошедших капитальный ремонт - в таблице 1.4.

Таблица 1.3.

Нормы на выбросы вредных веществ (по ГОСТ Р51 249-99)

Наименование нормируемого параметра Обозначение Назначение дизеля Норма удельных средневзвешенных выбросов

Выпуск до 2000 г. Выпуск с 2000 г.

Удельный средневзвешенный выброс оксидов азота (Шх)в приведении к N02 г/(кВт-ч) р е шх Тепловозный 18,0 12,0

Промышленный 16,0 10,0

Судовой 17,0 (17,0-9.8)

Удельный средневзвешенный выброс окиси углерода (СО), г/(кВт-ч) еРсо Любое 6,0 3,0

Удельный средневзвешенный выброс углеводороде (СН), в приведении к СН1.85 г/(кВт-ч) р е сн Любое 2,4 1,0

Продолжение табл. 1.3.

Удельный средневзвешенный выброс оксидов азота для судовых дизелей: при частоте вращения п<1300 мин"1 - ешх =П г/(кВт-ч);

1 л -у в диапазоне частот 130< п<1300 мин" рассчитывают по формуле емох =45п" ' г/(кВт-ч); при частоте вращения п>2000 мин"1 - еыох =9,8 г/(кВт-ч)

Таблица 1.4.

Нормы на выбросы вредных веществ для дизелей после капитального ремонта (по ГОСТ Р51 249-99)

Вредное вещество Значение корректирующего коэффициента крем.

Оксиды углерода 1,20

Оксиды азота 0,95

Улеводороды 1,25

Из таблице 1.4. видно, что нормы на вредные выбросы с ОГ для дизельных двигателей после капитального ремонта, более жесткие по ЫОх -на 5%, и менее требовательны по продуктам неполного сгорания топлива СО и НС, на 20% и 25% соответственно.

В ближайшее время в России будут вводиться более жесткие требования для дизелей. По данным ЦНИДИ в перспективе отечественные и зарубежные нормы ужесточаются до 3 раз, в сравнении существующие в настоящее время [19]. Таким образом, намечается большое поле деятельности по снижению вредных выбросов дизелей, что и определяет высокую актуальность данной проблемы.

Резюмируя вышеизложенное, отметим, что главным, наиболее опасным токсичным компонентом в ОГ дизельного двигателя являются оксиды азота, которые как и сажистые частицы, в 40 раз более опаснее, продуктов неполного сгорания СО и НС. Поэтому в работе поставлена задача в первую очередь снижения выбросов оксидов азота 1чЮх содержащихся в ОГ судового пропульсивного дизеля без наддува.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Установлены закономерности, характеризующие изменение выбросов Ж)х пропульсивного среднеоборотного дизеля 64 18/22 с постоянным углом опережения подачи топлива при работе по винтовой характеристике. Экспериментально и теоретически установлено, что с увеличением п и Ре пропульсивного дизеля от холостого хода до 100% удельные выбросы- 1ЧОх снижаются на 47%, концентрация увеличивается на 36%,

2. Экспериментальным и теоретическим путем обоснована эффективность применения для находящихся в эксплуатации дизелей комплексной системы снижения токсичности, состоящей из системы рециркуляции ОГ и фильтра - нейтрализатора, конструкции НПФ «Нейтраль-Эко», позволяющей снизить >Юх при доле рециркуляции 0,09 на 35%, СО на 90%, НС на 12% и сажистых частиц на 50%, и привести эти выбросы к величинам, к меньшим, чем придельные значения действующих в настоящее время норм ГОСТ Р-51249-99 и ГОСТ Р-51250-99. Удельный расход топлива при применении комплексной системы снижения токсичности ОГ увеличивается на 4% (при мощности 75% от Ре).

3. Предложен закон регулирования доли рециркуляции ОГ, обеспечивающий снижение доли рециркуляции при увеличении нагрузки дизеля, реализация которого, позволяет, наряду со снижением КОх до установленной нормы, уменьшить рост расхода топлива на 2%, по сравнению с нерегулируемой системой рециркуляции ОГ. Это дает экономический выигрыш в экономии расхода топлива для двух дизелей судна проекта Р-908 за навигацию в размере 30 тыс. руб. В случае работы судна на линиях движения с уменьшенной средней эксплуатационной мощностью, например, на линии движения Москва - Кимры, предложенный закон регулиро

4. Предложен и подтвержден экспериментально метод приближенного расчета выбросов 1ЧОх при различной доле рециркуляции ОГ, основанный на экспериментальной зависимости е'м0х от хртах (- доли теплоты выделившейся к моменту достижения ртах) и зависимость е'кох от коэффициента избытка воздуха а'] при образовании ИОх.

5. Усовершенствована математическая модель расчета рабочего процесса в цилиндре дизеля при рециркуляции ОГ, которая достоверна при относительно небольших отклонениях коэффициента избытка воздуха от значений при работе дизеля без рециркуляции ОГ. Сравнение расчетных результатов и результатов экспериментов показывает, что при постоянной частоте вращения и нагрузке погрешность в определении удельного эффективного расхода топлива Ье, максимального давления Ртах* по разработанной методике при изменении доли рециркуляции ОГ не превышает 5%-6%.

6. Показана эффективность применения охлаждения рециркулируе-мых ОГ. Например, снижение температуры ОГ на входе в дизель на 60°С (с 200°С до 140°С) приводит к дополнительному снижению ИОх на 3% и одновременному уменьшению расхода топлива на 2%.

7. В диссертации приведен обзор 49 способов регулирования доли рециркуляции ОГ и предложен новый способ регулирования (заявка №2001113749 от 23 мая 2001г.).

1. Работы одного, двух, трех и более авторов.

2. Бордуков В. Т., Новиков JI.A. Повышение экологической чистоты эксплуатируемых дизельных установок речных судов и тепловозов. Доклад НТСФЦП "Возрождение Волги" С.П. 1998. С.2-5,21-25.

3. Васильев-Южин Р. М. Корабельные двигатели внутреннего сгорания. -Л.: Судостроение, 1975. -332с.

4. Вейнблат М.Х., Федякин П. А. Снижение дымности отработавших газов форсированного дизеля на режимах холостого хода. // Двигателестроение. -1990. -№11. -С.42-45. -ISSN 0202-1633.

5. Гладков О. А., Лерман Е. Ю. Создание малотоксичных речных судов. -Л.: Судостроение, 1990. -103с.

6. Горбунов В. В., Патрахальцев H.H., Токсичность двигателей внутреннего сгорания. -М. Издательство РУДН:, 1998. -214с.

7. В.Е. Горбановский, В.Г. Кислов, P.M. Баширов, В.А. Марков, Дизельная топливная аппаратура // МГТУ им. Баумана М., 1996 г, - с.

8. Жегалин О.И., Патрахальцев H.H., Френкель А.И. и др. // Каталические Нейтрализаторы транспортных двигателей. -М.: Машиностроение, 1979.-80с.

9. Жуковский B.C. //Основы теории теплопередачи. -М. ГОСЭНЕРГО 1960г стр.120

10. Звонов В. А. Токсичность ДВС. -М.:Машиностр., 1981.-205с.

11. Звонов В. А., Фурса Н. П. и др. Влияние параметров впускного воздуха и противодавления выхлопу на состав ОГ дизеля. // Сб. науч. тр. ХГУ. -Харьков, 1974. С.27-37.

12. Камкин С. В., Возницкий И. В., Шмелев В. П. Эксплуатация судовых дизелей. -М.: Транспорт, 1990. 248с.

13. Камфер Г.М., Гуреев A.A. Испаряемость топлива для поршневых двигателей. -М.: Химия, 1982. -230с.

14. Камфер Г. М. Регламентация состава дизельных топлив с учетом ограничений на дымность и токсичность ОГ. // Совершенствование рабочих процессов и конструкции автомобильных и тракторных двигателей. / Сб.научных трудов МАДИ. -М, 1992. -Вып.56. -С.43-46.

15. Кислов В.Г., Баширов Р. М., Попов В .Я. Топливные насосы распределительного типа. М.: Машиностроение, 1975.-176с.

16. Костин А.К. Пугачев Б.П. Кочинев Ю.Ю. Работа дизелей в условиях эксплуатации. -Д.: Машиностроение, 1989. -200с.

17. Корчагин В.А. Методика оценки уровня экологической опасности использования автомобильных ДВС. // Совершенствование рабочих процессов и конструкции автомобильных и тракторных двигателей. / Сб.научных трудов МАДИ. -М, 1989. -Вып.46. -С. 174-179.

18. Кортсен О. Уменьшение NOx судовых дизельных двигателях фирмы МАК// Тезисы докладов. Международный семинар по снижению токсичных выбросов отработавших газов и применению газообразных топлив в судовых энергетических установках. Москва 1999г.

19. Кудян А. А. Улудшение энерго-экономических показателей среднеоборотных дизелей кавитационной обработке тяжелых топлив// Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, С.-Петербург- 1999.

20. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов: Учебник для вузов. -М.: Транспорт, 1990. -235с.

21. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотоплоивные эмульсии в судовых дизелях; Л. "Судостроение"., 1988г., с. 16-25

22. Лебедев C.B. Формирование рационального поля технических характеристик унифицированного типажа форсированных многоцелевых дизелей: автореферат диссертации на соискание уч. степени доктора тех. наук: 05.04.02. -Защищена 23.11.99; Барнаул, 1999г. 27-35с.

23. Лиханов В.А., Сайкин A.M. Дымность отработавших газов втотракторных дизелей.-М. ¡"Транспорт", 1994.-240с.

24. Лиханов В.А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных дизелей. М.: Колос, 1994.-224с.

25. Лойцанский Л.Г. Механика жидкости и газа, Москва Наука 1978г стр 583

26. В.Н. Луханин Теплотехника Москва 1999г. ВШ

27. Логинов А.Ю., Иванов A.A. Комплексная очистка выхлопных газов дизеля// Тезисы докладов. Международный семинар по снижению токсичных выбросов отработавших газов и применению газообразных топлив в судовых энергетических установках. Москва 1999г.

28. Луканин В.Н., Шатров М.Г., Труш А.Ю. и др. Под ред. чл. корр. РАН Луканина В.Н. Двигатели внутреннего сгорания (теория рабочих процессов): Учебник для вузов. -2-е изд., перераб. -М.: Высшая школа, 1995. -Зт.; -22см.

29. Луканин В. Н. Мальчук В. И. Трусов В. И. Ареф А. Метод улучшения экологических характеристик дизеля. // Совершенствование рабочих процессов и конструкции автомобильных и тракторных двигателей. / Сб.научных трудов МАДИ. -М, 1992. -Вып.56. -С.4-8.

30. Марков В. А. Михальский Л. П. Шатров В. И. Исследование топливного насоса высокого давления с регулированием угла опережения впрыскивания топлива на одноцилиндровой установке семейства КамАЗ. // Известия вузов. -М.: Машиностр., 1996. -№10 -С. 12-20.

31. Марков В.А., Козлов С.И. «Топливная и топливоподача многотопливных и газодизельных двигателей» // МГТУ им. Баумана М., 2000 г.

32. Марков В,А., Баширов P.M., Габитов И.И., Кислов В.Г.

33. Токсичность отработавших газов дизелей» // Уфа, 2000 г.

34. Морозов К.А. Токсичность автомобильных двигателей : МАДИ (ТУ) 1997.-М-84с.

35. Никитин Е.А., Улановский .Э,А. , Миляев С.Б. , Панин М.М.

36. Новиков JI.A. Снижение токсичности и вредных выбросов дизелей при работе на переходных режимах// Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Центральный научно-исследовательский институт. Ленинград 1984.

37. Новиков JI,. Зеленов Б. Очистка выбросов дизелей холодной плазмой. // Тезисы докладов. Международный семинар по снижению токсичных выбросов отработавших газов и применению газообразных топлив в судовых энергетических установках. Москва 1999г.

38. Новиков JLA. Использование методов численного моделирования для создания малотоксичных дизелей// Тезисы докладов.

39. Международный семинар по снижению токсичных выбросов отработавших газов и применению газообразных топлив в судовых энергетических установках. Москва 1999г.

40. Патрахальцев H.H. Неустановившиеся режимы работы двигателей внутреннего сгорания. -М.:Машиностр., 1981. -71с.

41. Патрахальцев H.H. Повышение эффективности работы дизеля на неустановившихся режимах воздействием на процессы топливоподачи: Автореферат на соискание уч. степени доктора тех. наук. -М, 1987. -33с.

42. Пинский Ф. И. Пинский Т. Ф. Адаптивные системы управления дизелей. -М.: МГОУ, 1995. -50с.

43. Плющаев В. И. Разработка и реализация моделей и алгоритмов управления динамическими режимами судовых энергетических комплексов: Автореферат на соискание уч. степ, доктора техн. наук. -Н.Новгород, 1996. -26с.

44. Реда Над ер Фарид. Снижение токсичности отработанных газов дизеля воздействием на кинетические параметры воспламенения и сгорания: Автореферат диссертации на соискание уч. степ. канд. техн. наук. -М., 1992. -28с.

45. Н.П. Самойлов, В.И. Игонин, O.A. Кашеваров, Д.Н. Самойлов. Токсичность автотракторных двигателей и способы ее снижения. —Казань.: Изд-во КГУ, 1997. — 170 с.

46. Семенов Б.Н., Смайлис В.И., Быков В.Ю. и др Возможности сокращения выброса окислов азота с отработавшими газамибыстроходного форсированного дизеля при сохранении высокой топливной экономичности // Двигателестроение. -1986.-N 9.-С.З-6.

47. Сигар А. В. Теория корабельных двигателей внутреннего сгорания: Учебник для высших морских училищ. -Л.гТехн., 1978. -240с.

48. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели.-Л.:Машин., 1972.-200с.

49. Стефановский Б.С., Скобцев Е.А., Кореи Е.К. Испытание двигателей внутреннего сгорания. -М.: Машиностроение, 1972. -343с.

50. Толшин В. И. Форсированные дизели. Переходные режимы. Регулирование. М.: Машиностроение, 1995. -200с.

51. Толшин В. И. Лыонг Л. В. Новад И. А. Калинин Д. Б. Снижение токсичности отработавших газов дизелей в переходных режимах. // Сер. Наука и техника на речном транспорте. -М. -1993. -№12. -С.34-40.

52. Толшин В.И. Калинин Д.Б. Новад И.А. Исследование и разработка предложений по эффективным способам сокращения токсичных выбросов СЭУ. / Сб.тр.МГАВТ. -М., 1993. -вып. 17. -С 1-9.

53. Толшин В.И., Якунчиков В.В., Лыонг Л.В., Чуб Т.В.

54. Снижение вредных выбросов ОГ дизелей речных судов. // Научно-технический семинар по автоматическому управлению и регулированию двигателей внутреннего сгорания в МГТУ им. Н.Э. Баумана.: Тезисы докладов. Тр. МГТУ. -М., 1995-97. -С. 18-34.

55. Толшин В.И., Чуб Т.В., Якунчиков В.В. Снижение вредных выбросов ОГ судовых дизелей. // Сборник науч. тр. научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (ТУ). 1996. -Вып.56 -С.53-55.

56. Унгефук А. В. Снижение вредных выбросов автотракторных дизелей за счет восстановления их технического состояния: Автореферат диссертации на соискание уч. степень кандидата тех. наук. -Барнаул, 1996. -25с.

57. Фомин В. М. Совершенствование экологических и топливно-экономических показателей дизеля воздействием на реакционно-кинетический механизм рабочего цикла: Автореферат диссертации на соискание уч. степ, доктора техн. наук. -М., 1996. -32с.

58. Фомин Ю.Я. Горбань А.И. Добровольский В.В. и др. Судовые двигатели внутреннего сгорания. -Л.¡Судостроение, 1989. -343с.

59. Хачиян А. С. Гальговский В. Р. Никитин С. Е. Доводка рабочего процесса автомобильных дизелей. -М.:Машиностр. 1978.-220с.

60. Хачиян А. С. Десятун С. В. Юданов С. В. Электронное управление топливоподачей в дизеле. // Совершенствование рабочихпроцессов и конструкции автомобильных и тракторных двигателей. / Сб. науч. трудов МАДИ. -М., 1989. -Вып.46. -С.40-49.

61. Шегорин О. И., Пугачев Г. Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. -М.: Транспорт, 1985. -120с.

62. Шишитский В.Н., Исследование работы судового дизеля с испарительным охлаждением. Автореферат на соискание уч. ст. к.т.н. Л. 1967 г.

63. Якунчиков В.В. Снижение вредных выбросов судового дизеля в переходных режимах // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Московсковская государственная академия водного транспорта .Москва 1997.

64. Водный кодекс РФ. -М.: Изд-во стандартов, -1996г. -150с.:ил. -(Экологические требования). УДК 534.624.21. Группа Т38.

65. Руководство по теплотехническому контролю серийных теплоходов: Справочник. -М: Транспорт, 1979. -300с.

66. Справочник по алгоритмам и программам на языке БЕИСИК для ПЭВМ, под ред. Дьяконова В.П. -М.: Наука, 1987.-220с.1. Научные отчеты

67. Толстихин А.В. А.С. RU № 2052651. С1 , кл. F 02М 25/00 20.01.96.

68. Романов Г.Н., Тюпаев К.К., Кононов В.В. A C. RU №2027870 С1 кл. F 02М 25/06 Способ снижения токсичности отработавших газов энергетической установки и устройство для его осуществления. 27.01.95.

69. Лысенко С. М., А.С. RU № 2015398 С1 5 F 02М 25/022 Усторойство для подачи водяного пара в систему питания двигателя.3006.94.

70. Куколев П.В., А.С. RU № 2027057 С1 6 F 02М 25/06 Устройство для подвода газов во впускной тракт двигателя внутреннего сгорания.2001.95.1. Зарубежные источники

71. CIMAC, Exhaust Emission Measurement. / Recommendations for Reciprocating Engines and Gas Turbines./MARINE LOG.-1991.-l12.-53p.

72. Exhaust gas recirculation. / The Motor Ship, -aug.1996. -p.32.

73. Goran Hellen "Paper carriers to cut NOx emissions by Direct Water Injection" / Wartsila NSD Corporation / Marine News -1-1999. -p. 8-11.

74. Practical implication of NOx exhaust emission regulation enforcement. / MER. -nov 1994. -p.33-35.

75. Rudolf Holtbecker "Sulzer RTA engines comply with IMO emission regulation" / Marine News -1-1999. -p. 12-14.

76. Stefan Gros. Marine emission legislation. / Wartsila Diesel Group. Marine News. -4. -1994. -p.37-43.

77. Satoh Naotoshi. Влияние рециркуляции отработавших газов на показатели тяжелого дизеля // Дзидося гидзюцу = Яп.=8ос. Automot. Eng. -1990.-44, №8 р 67-73.

78. Wolfram Lausoh Low engine Fuel Consumption and Low NOx Emission: Incompatible Opposites?/ V.Dietl, W.Fleischer. / Wartsila Diesel Group. Marine News. -42. -1994. -p.35-40.

79. IMO Working Group / EE/WG 2/4 -12.31.1994. -20-40p

80. ISO Standard 8178. / Standards. -1990. -55p.