автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Снижение интенсивности образования оксидов азота в судовых дизелях

На правах рукописи

Мг

РОСЛЯКОВА ОКСАНА ВЯЧЕСЛАВОВНА

СНИЖЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В СУДОВЫХ ДИЗЕЛЯХ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск -2005

Работа выполнена в Новосибирской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор О.Н. Лебедев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Новоселов Александр Леонидович; доктор технических наук, профессор Воронин Дмитрий Максимович.

Ведущая организация: ООО «Западно-Сибирское речное

пароходство».

Защита состоится июня 2005 года в 77 часов на заседании

диссертационного совета Д 223.008.01 при Новосибирской государственной академии водного транспорта по адресу: 630099, г.Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, НГАВТ (тел/факс 22-49-76, E-mail: ngavt@ngs.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГАВТ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время охрана окружающей среды стала одной из важнейших проблем человечества. Особое внимание при этом уделяется вопросам сокращения вредных выбросов энергетических установок и, в частности, вредных выбросов ДВС. Поэтому все работы, направленные на улучшение экологических показателей этих двигателей, несомненно, являются актуальными.

Исследования, результаты которых изложены в данной работе, направлены на изучение методов борьбы с выбросами одного из самых токсичных компонентов выпускных газов дизелей - оксидов азота (NOX). Данные вопросы имеют большое значение для судов речного флота, которые, как правило, оборудованы этими двигателями.

Цель и задачи данной диссертационной работы - снижение выбросов оксидов азота судовыми дизелями посредством разных методов воздействия на их рабочий процесс.

Методы исследования. Поставленные в работе цели достигаются как теоретическими, так и экспериментальными методами. При получении обобщенных зависимостей для оценки количества выбросов оксида азота широко использовались ЭВМ.

К новым научным результатам работы можно отнести:

- новые обобщенные зависимости по определению выбросов оксидов азота, справедливые для группы дизелей, получивших наиболее широкое применение на судах речного флота;

- данные по экспериментальному исследованию влияния технического состояния деталей ЦПГ дизеля на выбросы оксидов азота;

- материалы анализа процесса струйного смесеобразования, на основании которого установлена основная причина снижения выбросов N0,, при переводе дизеля на ВТЭ;

- сравнительная экспериментальная оценка влияния на выбросы оксидов азота снижения локальных (применение ВТЭ) и средних (применение испарительного охлаждения воздуха, поступающего в цилиндры двигателя) температур рабочего тела дизеля;

- материалы экспериментального исследования по влиянию на выбросы оксидов азота различных присадок к топливу (присадка «DIESEL plus», мочевина аммиак);

- данные экспериментов по изучению влияния на выбросы оксидов азота присадок к воздуху, идущему в цилиндры дизеля (мочевина, распыленное топливо).

определяется:

- строгим соблюдением правил теории подобия при нахождении критериальных зависимостей для определения выбросов оксидов азота дизелями;

- использованием современной поверенной измерительной аппаратуры при проведении экспериментов.

Практическая ценность работы. Применение полученных в работе результатов на практике позволит заметно сократить выбросы оксидов азота в атмосферу. Кроме того, в некоторых случаях это дает возможность снизить расход топлива.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на Второй международной научно-технической конференции в г. Тобольске в 2004 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка использованных литературных источников, насчитывающего 106 наименований. Работа изложена на 100 страницах, включающих 39 рисунков, 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

обосновывается актуальность темы диссертации, приведена общая характеристика работы и сформированы основные положения, выносимые на защиту.

на основе анализа литературных источников показано, что наиболее вредным компонентом выпускных газов дизелей являются

оксиды азота. По токсичности они несколько уступают бенз-а-пирену (самому токсичному компоненту), но по выбрасываемой массе существенно его опережают. Учитывая сказанное, было выбрано основное направление данного исследования — снижение выбросов N0* судовыми дизелями.

Существуют два основных пути решения поставленной задачи:

- посредством соответствующей обработки выпускных газов дизелей с целью восстановления образовавшихся оксидов азота;

- посредством воздействия непосредственно на рабочий процесс дизеля с целью снижения интенсивности образования И0Х в цилиндрах двигателя.

Первое направление в настоящее время достаточно хорошо изучено (работы института катализа СО РАН; Алтайского государственного технического университета и др.). В то же время многие вопросы второго направления до сих пор изучены далеко недостаточно. Поэтому в данной работе снижение выбросов оксидов азота предполагается осуществить посредством различных методов непосредственного воздействия на рабочий процесс дизеля.

Показано, что на судах речного флота получили применение дизели с объемным, объемно-пленочным и вихрекамерным смесеобразованием. Именно на этих двигателях предполагается провести дальнейшие исследования.

Установлено, что ввиду нехватки средств, ремонт судовых дизелей проводится далеко не в полном объеме и их техническое состояние систематически ухудшается. В связи с этим, определенный интерес представляет влияние последнего на выбросы оксидов азота.

Проведен анализ различных методов воздействия на рабочий процесс дизеля с целью снижения выбросов Для дальнейшего исследования были выбраны наиболее простые и доступные в условиях судоремонтных заводов.

В завершении главы сформулированы основные задачи исследования, дано описание экспериментальных установок и методики проведения опытов по оценке выбросов оксидов азота и

расхода топлива. Эксперименты проводились на пяти типах двигателей, среди которых дизели 1415/18, 6ЧН18/22, 6ЧН 16/22,5 имеют объемное, двигатель Д21А - объемно-пленочное и 248,5/11 - вихрекамерное смесеобразование. Проведена оценка погрешностей основных измерений.

Исследовано влияние способа смесеобразования на выброс оксидов азота. Подтверждено ранее полученное наблюдение о том, что наибольший выброс имеют двигатели с объемным

смесеобразованием, наименьший - вихрекамерные машины. Дизели с объемно-пленочным смесеобразованием занимают промежуточное положение.

Эксперименты, проведенные на двигателях 248,5/11 и 1415/18, показали, что износ деталей ЦПГ ведет к некоторому снижению выбросов оксидов азота.

При помощи теории подобия, с использованием работ О.Н.Лебедева (по анализу рабочего процесса дизеля) и А.С.Пунды (по образованию оксидов азота) найдено общее критериальное уравнение для выбросов оксидов азота. Рабочий вид данного выражения (после анализа и упрощения) получился следующим:

Р,, Т», р, - соответственно, давление, температура и плотность воздуха на входе в цилиндры дизеля;

Ро, Т0 - характерные параметры воздуха;, Вц - цикловая подача топлива; Уа - полный объем цилиндра;

п, По — соответственно, текущая и характерная частоты вращения коленчатого вала;

(1)

где ТС

V • р

' а г к

- нагрузочный критерии;

(,ЛГОх) — безразмерная массовая концентрация оксидов азота в выпускных газах.

Согласно канонам теории подобия конкретный вид уравнения (1) находится на основании обработки опытного материала. Для этой цели были использованы результаты испытаний трех двигателей: 1415/18, 6ЧН18/22, 6ЧН 16/22,5. данные двигатели по своим показателям идентичны. Так, все они четырехтактные, с объемным смесеобразованием, имеют один тип камеры сгорания (Гессельман) и близки по размерам цилиндров. Все три типа двигателей имеют широкое применение на судах речного флота.

Обработка опытного материала, полученного по нагрузочным характеристикам, дала возможность получить следующую зависимость:

Полученные формулы справедливы для следующих интервалов изменения определяющих инвариантов:

На рис.1, в качестве примера, приведено сопоставление опытного материала с зависимостью (2). Из рисунка видно, что сравниваемые данные коррелируют между собой вполне удовлетворительно. Квадрат коэффициента корреляции оказался равным Я=0.928.

Третья глава посвящена изучению влияния на выбросы оксидов азота применения водотопливных эмульсий и испарительного охлаждения воздуха, поступающего в цилиндры двигателя.

На основании анализа приближенной модели процесса струйного смесеобразования установлены основные причины снижения выбросов оксидов азота при переводе дизеля на ВТЭ.

На основе анализа приближенной модели процесса струйного смесеобразования установлена одна из основных причин снижения интенсивности образования оксидов азота при переводе дизеля на ВТЭ. Она определяется тем, что при использовании эмульсии существенно сокращается объем активной зоны КС, где возможно образование N0*. Эти зоны характерны тем, что в них имеют место высокие значения концентраций кислорода и температур рабочего тела.

гь

0,0009 0,0008 0,0007 0,0006 0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0,0001 0

1415/18 а 6ЧН18/22

6ЧН 16/22,5

А

* *

А

/♦

•

А

К — 1

а

0,040

0,000 0,010 0,020 0,030

* '

Рис. 1 Зависимость для нагрузочной характеристики

По результатам экспериментов можно отметить, что с увеличением содержания воды во ВТЭ выбросы оксидов азота существенно сокращаются на всех режимах работы двигателя. На рис.-2 в качестве

- N0

примера, представлена зависимость величины АЮх =-— ■ 100, от

•Го

концентрации С« воды во ВТЭ для двигателя 1415/18. Здесь обозначено: ЫОх, N0x0, текущая концентрация оксидов азота и та же величина при Сиг=0. Опыты проводились на номинальном режиме. Из рисунка следует,

что в данных условиях величина N0^ с ростом практически линейно снижается.

Рис.3 иллюстрирует влияние присадки воды на удельный эффективный расход топлива. Из рисунка следует, что при номинальной величине С^20% наблюдается снижение расхода топлива примерно на 10%.

Рис. 2 Зависимость снижения выбросов АМ9Х оксидов азота от концентрации Сж воды во ВТЭ.

Таким образом, можно констатировать, что применение ВТЭ в двигателе 1415/18 ведет к существенному снижению выбросов N0* и повышению экономичности дизеля по расходу топлива.

Рис. 3 Зависимость удельного эффективного расхода топлива от . содержания воды во ВТЭ.

Обычно посредством испарительного охлаждения получают относительное небольшое снижение температуры воздуха (30-40 °С), которое обеспечивается присадкой воды, равной 30-40 % от массы расходуемого топлива. В связи с этим возникает вопрос, а каково влияние испарительного охлаждения на общий температурный уровень рабочего тела двигателя. Данное исследование проведено расчетным путем. В основу расчета был положен идеальный цикл двигателя со смешанным подводом теплоты.

На рис. 4 представлены результаты расчета, из которых видно, что относительное небольшое снижение температуры рабочего тела в начале сжатия вызывает существенное снижение температуры и, в еще большей степени, - Т* Качественно аналогичные результаты имеют место и в действительных рабочих процессах дизелей, хотя в количественном отношении они могут разниться.

Таким образом, испарительное охлаждение воздуха, поступающего в цилиндры дизеля, существенно снижая общий средний температурный уровень рабочего процесса двигателя, может заметно снизить интенсивность образования оксидов азота. Проверим это предположение экспериментально. Данные испытания были проведены на двигателе 6ЧН 18/22. Для подачи, дозирования и распиливания воды была изготовлена

специальная установка. Капельная взвесь вместе с воздухом подавалась в приемный воздушный патрубок.

Результаты экспериментов приведены на рис. 5-8. Рис.5 иллюстрирует влияние присадки воды на выброс оксидов азота. Из рисунка видно, что с ростом количества присаживаемой воды, выбросы N0 заметно сокращаются. Однако, эффективность рассматриваемого метода ниже по сравнению со способом, основанным на применении ВТЭ.

Рис.4 Зависимости температур Тс конца сжатия и Тг конца изобарного подвода теплоты от температуры начала сжатия.

I10

О 5 10 15 20

Расход воды, кг/ч

Рис.5 Зависимость выбросов оксидов азота от расхода воды на охладительное испарение.

На рис. 5, 6, 7, 8 приведены, соответственно, зависимости температуры воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, температуры

выпускных газов и расхода топлива от присадки воды. • Из графиков следует, что все эти параметры с ростом С», снижаются.

60 О 50

5 40

о- 30

* 20

з 10

о

0 5 ~ 10 15 20

<3в, кг/ч

Рис. 6 Зависимость температуры воздуха перед входом в цилиндры двигателя от присадки воды.

450

200 ----

0 5 10 . 15 ^ 20

Расход воды, кг/ч

Рис. 7 Зависимость температуры выпускных газов от присадки воды

Четвертая глава посвящена в основном изучению влияния на выбросы N0* и на расход топлива различных присадок к топливу и воздуху, поступающему в двигатель. Кроме этого, исследовано влияние на выбросы оксидов азота керамического (оксид циркония) покрытия донышка поршня двигателя.

40 4

0 5 10 15 20

Gb, кг/ч

Рис. 8 Зависимость расхода топлива от присадки воды при испарительном охлаждении воздуха.

По результатам проведенных исследований можно отметить следующее:

- на примере присадки «DIESEL plus» показано, что добавка к топливу препаратов, улучшающих процесс горения, снижает не только расход топлива и содержание сажи в выпускных газах, но и уменьшает выбросы дизелем оксидов азота;

-экспериментально установлено, что добавка к водной фазе ВТЭ (с cw = 20%) мочевины заметно уменьшает выбросы оксидов азота на долевых нагрузках (по нагрузочной характеристике) по сравнению со случаем использования аналогичной чистой эмульсии. Наоборот, при мощности более 50 % от номинала экологические показатели дизеля ухудшаются по сравнению с исходным вариантом;

- добавка к водной фазе ВТЭ аммиака сокращает как выбросы азота, так и расход топлива.' Для обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала система приготовления такой ВТЭ в данном случае должна быть герметичной;

- добавка мочевины к воде!, идущей на испарительное охлаждение воздуха для дизеля, заметно уменьшает содержание оксидов азота в выпускных газах двигателя. Однако при этом наблюдается довольно эффективное оседание этого препарата на стенках воздушного коллектора и, что особенно опасно, на лопатках турбокомпрессора;

- присадка к воздуху, идущему в дизель, 70 % топлива (остальные 30 % подаются в цилиндр топливной аппаратурой) позволяет на 17 % сократить выбросы оксидов азота и незначительно (примерно 2 %) уменьшить расход топлива;

- применение керамического покрытия на основе оксида циркония донышка поршня уменьшает выбросы оксидов азота, но увеличивает расход топлива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана приближенная физическая модель процессов смесеобразования и сгорания в топливной струе. Анализ, проведенный на этой основе, позволил установить основные причины существенного сокращения выбросов оксидов азота при переводе дизелей с объемным смесеобразованием на ВТЭ

2. Экспериментальное исследование, проведенное на двигателе 1415/18, подтвердило полученный ранее результат о том, что применение ВТЭ является действенным методом уменьшение выбросов оксидов азота дизелями с объемным смесеобразованием. При этом наблюдалось и заметное сокращение расхода топлива.

3. Значительно меньший эффект по сокращению выбросов N0 и расхода топлива был получен при использовании ВТЭ в вихрекамерном дизеле 248,5/11. Дано объяснение этому наблюдению.

4. Расчетным путем показано, что относительное небольшое уменьшение температуры воздуха на входе в цилиндры дизеля ведет к весьма существенному сокращению последующего температурного уровня рабочего тела.

5. Экспериментальное исследование, проведенное на двигателе 6ЧН18/22, подтвердило предположение о том, что испарительное охлаждение воздуха может служить методом снижения выбросов оксидов азота дизелями. При этом, также наблюдается снижение расхода топлива. Однако, при прочих равных условиях, снижение

выбросов оксидов азота при испарительном охлаждении существенно меньше чем при использовании ВТЭ.

6. На двигателях 1415/18 и 6ЧН18/22 проведены эксперименты по исследованию влияния на выброс оксида азота следующих присадок:

- к топливу — препарата «DIESEL plus»; мочевины и аммиака;

- к воздуху, поступающему в цилиндры дизеля - мочевины и 70 % распыленного топлива.

Опыты показали, что все исследуемые присадки в той или иной степени уменьшают выбросы оксидов азота и сокращают расход топлива.

7. Экспериментально доказано, что керамическое (оксид циркония) покрытие донышка поршня приводит к некоторому снижению выбросов NOX. Однако при этом возрастает расход топлива.

Публикации по теме диссертации

1. Рослякова О.В (Левчук О.В.) Современное состояние вопроса экологии судовых энергетических установок речных судов. /Дизельные энергетические установки речных судов. Сб. науч. Тр. /Новосиб. Акад. вод. трансп. - 2001. - 4.2. -с.79-82.

2. Заборцев Г.М., Рослякова О.В., , Сибриков Д.А: Оценка экономических и экологических показателей отсека 415/18. /Дизельные энергетические установки речных судов. Сб. науч. тр. /Новосиб. Акад. вод. трансп. - 2002. -с. 18-23.

3. Заборцев Г.М., Рослякова О.В., Сибриков Д.А. Влияние керамического покрытия поршня на токсичность отработавших газов. /Дизельные энергетические установки речных судов. Сб. науч. тр. /Новосиб. Акад. вод. трансп. - 2003. - 4.1. - с.37-41.

4. Рослякова О.В. Упрощенная математическая модель процесса формирования температурных полей в струях распыленного топлива. /Дизельные энергетические установки речных судов. Сб. науч. Тр. /Новосиб. Акад. вод. трансп. - 2003. - 4.1. -с.62-65.

5. Рослякова О.В. Исследование влияния водотогшивной эмульсии на образование оксидов азота. /Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2004 г., № 1. - с. 97-98.

6. Линевич О.И., Рослякова О.В. Влияние испарительного охлаждения на выбросы оксидов азота. /Сибирский научный вестник./Новосибирский научный центр «Ноосферные знания и технологии» Российской Академии естественных наук. Вып.VII. Новосибирск: Изд. НГАВТ, 2004, - с. 67-68.

7. Рослякова О.В. Обобщенная зависимость для оценки выбросов оксидов азота судовыми дизелями /Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2004 г., Х° 2. - с. 97-100.

8. Рослякова О.В. Влияние износа ЦПГ дизеля на эмиссию оксидов азота /Сибирский научный вестник./Новосибирский научный центр «Ноосферные знания и технологии» Российской Академии естественных наук. Вып.УШ. Новосибирск: Изд. НГАВТ, 2005, - с. 186-187.

9. Рослякова О.В. Влияниел способа смесеобразования на экологические показатели дизеля. /Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт [Текст]. Часть 1. /Под ред. В.П.Горелова, Н,Н. Лизалека, В.В., Охотниковой, - Тобольск: Новосиб. Гос. Акад. Транш., 2004. - • 372 с.(Труды второй международной научно-технической конференции, 8-11 сентября 2004).

Подписано в печать 17.05.2005 г. с оригинала макета.

Бумага офсетная №1. формат 60x84 I '16. печать трафаретная - Riso

Усл.печ.л. 1 тираж 100 экз., заказ №14. Бесплатно.

Новосибирская государственная академия водного транспорта (НГАВТ) 630099 Новосибирск, ул. Щетинкина. 33

Лицензия ЛП №021257 от 27.11.1997

Отпечатано в отделе оформления Hl АВТ

дотекД S

11 ИЮЛ 2005 J

ÍPP'5

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Экологический анализ выпускных газов.

1.2 Механизм образования оксидов азота в КС в дизеле.

1.3 Анализ дизельного парка речного флота и его технического состояния.

1.4 Методы снижения концентрации оксидов азота в ДВС.

1.5 Выводы по обзору. Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ СПОСОБА СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И

ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЦПГ НА ВЫБРОСЫ ОКСИДОВ АЗОТА СУДОВЫМИ ДИЗЕЛЯМИ.

2.1. Описание экспериментальных установок и методики проведения опытов.

2.2. Анализ погрешностей измерений.

2.3. Экспериментальное исследование влияния способа смесеобразования двигателя на выбросы оксидов азота.

2.4. Влияние технического состояния дизелей на выброс ими оксидов азота.

2.5. Обобщенная зависимость для оценки выбросов оксидов азота судовыми дизелями.

2.6. Основные результаты исследования. Выводы.

ГЛАВА 3. СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДА АЗОТА

СУДОВЫМИ ДИЗЕЛЯМИ ПОСРЕДСТВОМ СНИЖЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО И ОБЩЕГО И ОБЩЕГО ТЕМПЕРАТУРНОГО УРОВНЕЙ РАБОЧЕГО ТЕЛА.

3.1. Теоретический анализ влияния ВТЭ на динамику образования оксидов азота в КС дизелей.

3.2. Исследование влияния ВТЭ на образование оксидов азота.

3.3. Исследование влияния испарительного охлаждения на образование оксидов азота.

3.4. Основные результаты исследования. Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ СПЕЦИАЛЬНЫХ

МЕТОДОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДИЗЕЛЯ С ЦЕЛЬЮ УМЕНЬШЕНИЯ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА.

4.1. Влияние на выбросы оксидов азота присадки к топливу, улучшающей качество рабочего процесса.

4.2. Влияние химических присадок к ВТЭ на выброс дизелем оксидов азота.

4.3. Влияние некоторых присадок к воздуху, поступающему в цилиндры дизеля, на выбросы оксидов азота.

4.4. Влияние керамического покрытия донышка поршня на выброс оксидов азота. 4.5. Основные результаты исследования. Выводы.

В настоящее время охрана окружающей среды стала одной из важнейших проблем человечества. Особое внимание при этом уделяется вопросам сокращения вредных выбросов энергетических установок и, в частности, вредных выбросов ДВС. Поэтому все работы, направленные на улучшение экологических показателей этих двигателей, несомненно, являются актуальными. I* Показано, что основными типами ДВС, используемыми на судах речного флота, являются дизели с объемным, объемно-пленочным и вихрекамерным смесеобразованием.

На основе анализа литературных данных установлено, что основным вредным компонентом выпускных газов дизелей является оксиды азота. Учитывая последнее, была сформулирована основная цель данной диссертационной работы - снижение выбросов оксидов азота судовыми дизелями посредством разных методов воздействия на их рабочий процесс.

Экспериментально подтвержден раннее полученный результат о том, что наибольший выброс оксидов азота имеет место у дизелей с объемным ^ смесеобразованием, наименьший - у вихрекамерных двигателей. Дизели с объемно-пленочным смесеобразованием занимают в этом вопросе промежуточное положение. Принимая во внимание полученный результат, в качестве главного объекта исследования были выбраны дизели с объемным смесеобразованием.

На основании специального эксперимента установлено, что ухудшение технического состояния деталей ЦПГ дизеля ведет к уменьшению выбросов оксидов азота, что объясняется снижением температурного уровня рабочего цикла.

При помощи теории подобия и на основе обработки собственного 4 опытного материала, получены новые обобщенные критериальные зависимости для оценки выбросов оксидов азота. Формулы справедливы для группы четырехтактных дизелей, близких по своим основным параметрам fa (размеры и геометрия камеры сгорания, основные параметры рабочего цикла и т.д.).

На базе приближенной физической модели струйного смесеобразования дано объяснение эффекту существенного снижения выброса оксидов азота при переводе двигателя с объемным смесеобразованием на ВТЭ. Данные результаты косвенно подтверждены экспериментами, проведенными на двигателе 1415/18. № Опытным путем установлено, что испарительное охлаждение воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, снижают выбросы оксидов азота. Однако эффективность этого метода ниже чем от использования ВТЭ.

Экспериментально исследовано влияние ряда присадок к топливу и воздуху, идущему в цилиндры двигателя, на выбросы оксидов азота. Так, были испытаны следующие препараты:

- к топливу - присадка «DIESEL plus», интесифицирующая процесс горения;

- к водной фазе ВТЭ - мочевина и аммиак;

- к воде, идущей на испарительное охлаждение воздуха, - мочевина:

- к воздуху, поступающему в цилиндры двигателя, - распыленное топливо.

Установлено, что все испытанные присадки в той или иной степени снижают выбросы оксидов азота и сокращают или не изменяют удельный эффективный расход топлива.

Опытным путем установлено, что применение керамического (оксид циркония) покрытия донышка поршня ведет к сокращению выбросов оксидов азота и незначительному росту удельного эффективного расхода топлива.

В соответствии с содержанием работы к защите представляется # следующее:

1. Обобщенные критериальные зависимости для оценки выбросов оксида азота судовыми дизелями с объемным смесеобразованием.

2. Результаты экспериментального исследования влияния технического состояния деталей ЦПГ на выбросы оксидов азота.

3. Материалы анализа процесса струйного смесеобразования, которые устанавливают основные причины снижения выбросов оксидов азота при переводе двигателя на ВТЭ,

4. Результаты сопоставительных испытаний по изучению влияния на выбросы оксидов азота по применению ВТЭ и испарительного охлаждения воздуха.

5. Экспериментальные данные по исследованию влияния на выбросы оксидов азота в выпускных газах и расход топлива присадок к топливу и воздуху, поступающему в цилиндры двигателя.

6. Материалы по влиянию на концентрацию оксидов азота и расход топлива керамического (оксид циркония) покрытия донышка поршня дизеля 1415/18.

4.5 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. ВЫВОДЫ

1. На примере присадки «DIESEL plus» показано, что добавка к топливу препаратов, улучшающих процесс горения, снижает не только расход топлива и содержание сажи в выпускных газах, но и уменьшает выбросы дизелем оксидов азота.

2. Экспериментально установлено, что добавка к водной фазе ВТЭ (с cw = 20%) мочевины заметно уменьшает выбросы оксидов азота на долевых нагрузках (по нагрузочной характеристике) по сравнению со случаем использования аналогичной чистой эмульсии. Наоборот, при мощности более 50 % от номинала экологические показатели дизеля ухудшаются по сравнению с исходным вариантом. Учитывая сказанное, данный метод можно рекомендовать для вспомогательных дизелей, которые, как правило, работают на долевых нагрузках.

3. Добавка к водной фазе ВТЭ аммиака сокращает как выбросы азота, так и расход топлива. Для обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала система приготовления такой ВТЭ должна быть закрытой.

4. Добавка мочевины к воде, идущей на испарительное охлаждение воздуха для дизеля, заметно уменьшает содержание оксидов азота в выпускных газах двигателя. Однако при этом наблюдается довольно эффективное оседание мочевины на стенках воздушного коллектора и, что особенно опасно, на лопатках турбокомпрессора. Поэтому рекомендовать этот метод к практическому внедрению нельзя.

5. Присадка к воздуху, идущему в дизель, 70 % топлива (остальные 30 % подаются в цилиндр топливной аппаратурой) позволяет на 17 % сократить выбросы оксидов азота и незначительно (примерно 2 %) уменьшить расход топлива.

6. Применение керамического покрытия на основе оксида циркония донышка поршня уменьшает выбросы оксидов азота. Использование в этом случае водотопливной эмульсии несколько снижает экономичность двигателя по топливу и его экологический показатель по выбросу оксида азота.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа литературных источников установлено, что одним из наиболее токсичных компонентом выпускных газов дизелей являются оксиды азота, уменьшению выбросов которых и посвящена данная диссертационная работа.

2. На базе двигателей 6ЧН 18/22, 6ЧН 16/22,5, 14 15/18, 24 8,5/11, Д21 разработаны и созданы экспериментальные установки, которые позволили установить влияние на выбросы оксидов азота способа смесеобразования, нагрузки, технического состояния, различных специальных мероприятий.

3. Опытное изучение влияния способа смесеобразования на интенсивность образования NOx подтвердило тот факт, что наиболее интенсивно этот процесс протекает у двигателей с объемным смесеобразованием. Наиболее слабо - в вихрекамерных дизелях. Объемно-пленочное смесеобразование занимает промежуточное положение. Учитывая эти данные, в качестве основного объекта исследования были выбраны судовые четырехтактные дизели с объемным смесеобразованием.

4. Экспериментально установлено, что износ деталей ЦПГ приводит к существенному сокращению выбросов оксидов азота. Однако, при этом заметно вырастают расходы топлива и смазочного масла и выбросы других вредных компонентов (сажи, углеводородов и т.д.).

5. На основе теории подобия и опытного материала получены новые (отдельно для нагрузочных и винтовых характеристик) обобщенные формулы для определения выбросов оксидов азота судовыми четырехтактными двигателями с объемным смесеобразованием.

6. Разработана приближенная физическая модель процессов смесеобразования и сгорания в топливной струе. Анализ, проведенный на этой основе, показал, что при работе на эмульгированном топливе область топливной струи, где возможно активное образование оксидов азота, значительно меньше чем при использовании чистого дизельного топлива. Установлено, что эта разница возрастает с увеличением концентрации воды во ВТЭ. Кроме этого показано, что при сжигании водотопливных эмульсий максимальная локальная температура рабочего тела ниже, чем в случае использования чистого базового топлива. Все это должно способствовать при переходе на ВТЭ снижению эффективности образования и выбросов NOx дизелем.

7. Посредством расчета установлена зависимость между исходной температуой рабочего тела (температура в начале сжатия) идеального цикла и температурами конца сжатия и конца процесса предварительного расширения. В результате данного исследования было показано, что относительное небольшое уменьшение исходной температуры ведет к значительному большому понижению последующих температур цикла. Было сделано предположение, что в действительном рабочем процессе дизеля эта закономерность качественно сохраняется.

8. Экспериментальное исследование, проведенное на двигателе 6ЧН18/22, подтвердило предположение о том, что испарительное охлаждение воздуха может служить методом снижения выбросов оксидов азота дизелями с объемным смесеобразованием. При этом, также наблюдается снижение расхода топлива. Однако, при прочих равных условиях, снижение выбросов оксидов азота при испарительном охлаждении существенно меньше чем при использовании ВТЭ.

9. Анализ результатов испытаний двигателей 1415/18, 248,5/11, 64Н18/22 позволяет сделать заключение о том, что уменьшение локальных температур рабочего тела дизеля (использование ВТЭ в двигателях с объемным способом смесеобразования) значительно более эффективно для сокращения выбросов NOx нежели снижение общего среднего температурного уровня цикла дизеля (использовании ВТЭ в вихрекамерном двигателе и испарительного охлаждения воздуха в двигателе с объемным смесеобразованием).

10. На примере присадки «DIESEL plus» показано, что добавка к топливу препаратов, улучшающих процесс горения, снижает не только расход топлива и содержание сажи в выпускных газах, но и уменьшает выбросы ^ дизелем оксидов азота.

11. Экспериментально установлено, что добавка к водной фазе ВТЭ (с cw = 10%) мочевины заметно уменьшает выбросы оксидов азота на долевых нагрузках (по нагрузочной характеристике) по сравнению со случаем использования аналогичной чистой эмульсии. Наоборот, при мощности более 50 % от номинала экологические показатели дизеля ухудшаются по сравнению с исходным вариантом. Учитывая сказанное, данный метод можно рекомендовать для вспомогательных дизелей, которые, как правило, работают на долевых нагрузках.

12. Добавка к водной фазе ВТЭ аммиака сокращает как выбросы азота, так и расход топлива. Для обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала система приготовления такой ВТЭ должна быть герметичной.

13. Добавка мочевины к воде, идущей на испарительное охлаждение воздуха для дизеля, заметно уменьшает содержание оксидов азота в выпускных газах двигателя. Однако при этом наблюдается довольно эффективное оседание мочевины на стенках воздушного коллектора и, что особенно опасно, на лопатках турбокомпрессора. Поэтому рекомендовать этот метод к практическому внедрению нельзя.

14. Присадка к воздуху, идущему в дизель, 70 % топлива (остальные 30 % подаются в цилиндр топливной аппаратурой) позволяет на 17 % сократить выбросы оксидов азота и незначительно (примерно 2 %) уменьшить расход топлива.

15. Керамическое (оксид циркония) покрытие донышка поршня, вопреки ожиданию, приводит к некоторому снижению выбросов оксидов азота. Однако при этом несколько возрастает расход топлива.

1. Абрамов Д.Н., Самсонов Л.А. Снижение вредных выбросов судовых вспомогательных дизелей в динамических режимах работы // Двигателестроение, № 2, 2001 г., с. 8-10.

2. Акимова Е.А., Григоренко М.Е., Соколовская З.Н., Половой Ю.Н. Влияние металлорганических присадок на смолообразовательную способность тяжелого топлива // Тр. Николаев, кораблестроит. Ин-та. -1981, № 174,- с.80-83

3. Аксенов В.Д., Свиридов В.М., Винокурова И.А. Пути снижения степени отрицательного воздействия тракторной и другой мобильной сельскохозяйственной техники на окружающую среду Обзор. - М.: ЦНИИ-ТЭИтракторсельхозмаш, 1984. - сер. 1, вып. 5. - 57 с.

4. Арет В., Белый О., Ишин С. и др. основные положения государственной транспортной политики и национальной программы. «Транспорт России». «Проблемы транспорта», 1998, с.9-17

5. Астанинский Ю.П. Совершенствование процесса смесеобразования среднеоборотных дизелей путем формирования процесса впрыскивания топлива. //Двигателестроение, № 3, 1990. С. 9-11.

6. Балакин Н.А., Семенов Б.Н., Смайлис В.И. Совершенствование смесеобразования и сгорания основа создания малотоксичных и высокоэкономичных дизелей // Тез. докл. науч.-техн. конф. - М.: Минтрансмаш, 1983. - С. 17-18.

7. Батурин С.А., Макаров В.В., Лоскутов А.С. Феноменология и химизм процесса, результирующее сажевыделение в дизелях // Тр. Ленингр. политехи, ин-т. 1985, № 411. - с. 52-55

8. Белов С.В., Морозов Л.Л. Снижение токсичности выбросов транспортно-энергетических установок: Учеб.пособие / МВТУ им. Н.Э.Баумана. М., 1984. - 36 с.

9. Боумэн К.Т. Кинетика образования и разложения загрязняющих веществ при горении // Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени / Пер. с англ. под ред. Ю.Ф. Дедяткина. М.: Машиностроение, 1981. - С. 59-83.

10. Бочков М.В., Ловачев JI.A., Четверушкин Б.И. Химическая кинетика образования оксидов азота при горении метана в воздухе. М.: АН СССР, 1992.-48 с.

11. Бурико Ю.Я., Кузнецов В.Р. О возможном механизме оборазования окислов азота при турбулентном диффузионном горении // Физ. горения и взрыва., 1978,14, № 3. с.32-42

12. Васильев И.П., Звонов В.А., Гавриленко П.Н. Теплоизоляционное и каталитическое воздействия керамических материалов на рабочий процесс дизеля // Двигателестроение. 1990. - № 1. - С. 47-49.

13. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М.: Машиностроение, 1977. - 274 с.

14. Высокоэнергетические процессы обработки материалов /О.П.Солоненко, А.П. Алхимов, В.В.Марусин и др. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 2000. - 425 с.

15. Гетманец Г.В., Лиханов В.А. Социально-экологические проблемы автомобильного транспорта: Справочное пособие. АСПОЛ, 1993 г., с,-334.

16. Гладков О.А., Лерман Е.Ю. Создание малотоксичных дизелей речных судов. Л.: Судостроение, 1990. - 112 е., ил. - (Охрана окружающей Среды)

17. Голубев И.Р., Новиков Ю.В. окружающая среда и транспорт. М.: Транспорт, 1987.-207 с.

18. ГОСТ 10448 80. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Правила приемки. Методы испытаний. - М.: Изд. Стандартов, 1981. - 16

19. ГОСТ Р 51249-99 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения».

20. Гутаревич Ю.Ф. Охрана окружающей среды от загрязнения выбросами двигателей Киев, 1989 г.

21. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей.-М.: Транспорт, 1985.-120 с.

22. Завлин М.Я. Влияние давления впрыскивания на смесеобразование и характеристику выделения теплоты в дизеле. // Двигателестроение, № 89, 1991.-С. 24-27.

23. Закон «Об охране атмосферного воздуха» № 96 -ФЗ от 04.05.99 г.

24. Захаренко Б.А. Теория корабельных турбопоршневых двигателей.-Л.: ВМОЛА, 1996.-540 с.

25. Захаров Э.Л, Емельянов В.Е., Дейнеко П.С., Октябрьский Ф.В. Тенденция в создании присадок для повышения цетанового числа дизельных топлив //Химия и технология топлив и масел.- 1992. 10 - с. 36-38.

26. Зверев П.Ю. Экспериментальное исследование утечки рабочего тела из цилиндра дизеля //Дизельные энергетические установки речных судов. Сб. науч. Тр. Новосиб.гос.акад.водн.трансп. 4.2, 2001, с. 24-28.

27. Зверев П.Ю., Лебедев Б.О. Влияние технического состояния деталей цилиндро-поршневой группы на экономические показатели вихрекамерного дизеля //Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока: научн.техн. журнал, № 2, 2003, с. 122-124.

28. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания.- 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1981. - 160 е., ил.

29. Звонов В.А., Фурса В.В. Методика расчета окислов азота в цилиндре дизеля // Двигатели внутр.crop. Респ.межвед.темат.науч.-техн.сб.-1976, вып.24.,-с. 107-115

30. Зельдович Я.Б. Кинетика химических реакций в пламенах: Теория Ф) горения и взрыва. М.: Наука, 1981, с. 150-184.

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

32. Квашин В.П., Запевалов П.П., Шараев Н.М. Использование аммиачно-топливной смеси в двигателе 84 9,2/8 // Двигателестроение, 1988 г.-№3,с. 33-34

33. Конаков П.К. Теория подобия и ее применение в теплотехнике, М., -Л. Госэнергоиздат, 1959, 208 с.

34. Кузьмин В.И. Плазмоструйная термообработка газотермических покрытий, дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Новосибирск. - 1993. - 197 с.

35. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей. Владимир: Изд-во Владимировского государственного университета, 2000 - 256 с.

36. Лебедев О.Н. Исследование работы судовых дизелей методами теории подобия. Новосибирское книжное изд-во, Новосибирск, 1967, 168 с.

37. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов. М.: Транспорт, 1990.- 328 с.

38. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин в.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. Л.: Судостроение, 1988. 108 е., ил. (Экономия топлива и электроэнергии)

39. Либефорт Г.Б. Судовые двигатели и окружающая среда. М.: Издв-во МГУ,1984.-230с.

40. Лиханов В.А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных дизелей. 2-ое изд. М.: «Колос», 1994. 224 е.: ил.

41. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология: Учеб. для вузов / Под ред. В.Н.Луканина. М.: Высш.шк., 2001.-273 с.

42. Малов Р.В. Рабочие процессы и экологические качества ДВС //Автомобильная промышленность 1992. - 9 - с. 10-15.

43. Малов Р.В. расчет концентраций окислов азота в отработавших газах дизеля //Автомобильная промышленность, 1977, № 5. с. 9-10

44. Малявинский JI.B., Россинский В.М. Эффективность действия антидымных присадок к дизельному топливу // Химия и технол. топлив и масел. 1976, № 11, - с. 45-47

45. Марина Андерсен. Двигательные проблемы речного флота // Собеседник № 4(10) 2000 г. с.4-6.

46. Марков В.А., Баширов P.M., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. 2-е изд., перераб. И доп.-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002.-376 е., ил.

47. Матиевский Д.Д. Физико-технические проблемы создания экономичного и малотоксичного двигателя.

48. Махов В.В. Расчет концентраций оксидов азота в отработавших газах дизеля // автомобильная промышленность, 1977, № 5, с. 9-10.

49. Махов В.З., Ордабаев Е.К. Влияние скорости движения воздушного заряда на образование окиси азота в дизеле // Токс-ть двиг. внутр. сгорания.- М., 1997, с.56-65.

50. Мольберт А.А. Повышение экологической безопасности мобильных машин в составе сельскохозяйственных агрегатов. Дисс. на соискание учен. ст. доктора техн.наук. Барнаул, 2004, 270 с.

51. Мочевина в баке //Авторевю. М ., №23, 2003 г. с. 89.

52. Мочешников Н.А., Френкель А.И. Обобщенные зависимости влияния регулировок дизеля на его токсичность и экономические показатели // Автомобильная промышленность 1974.-№ 11.-С.17-20.

53. Неронов В.А., Сибриков Д.А. Диоксид циркония. Общие сведения. Фазовые равновесия в системах ZrO-CaO, Zr02-Mg0, Zr02-УгОз.Свойства.-Новосибирск, 2002. 49с. -(Препр./Ин-т теор. И прикл. Механики СО РАН; № 2 - 2002).

54. Николаев А.Г. Экспериментальные исследования развития топливно-воздушного факела при прерывистом впрыске. В кн. «Применение ЭВМ на водном транспорте», вып. 151, 1983,- С.4-6.

55. Новиков JI.A. Основные направления создания малотоксичных транспортных двигателей // Двигателестроение, 2002 г. № 2. с. 23-26

56. Новиков JI.A. Технологии снижения вредных выбросов тепловозов /Двигателестроение № 1-2, 1997г., с.49-51

57. Новиков JI.A., Борецкий Б.М., Вольская Н.А. Механизм влияния состава ВТЭ на смесеобразование в дизелях с неразделенными камерами сгорания // Двигателестроение, 1996 г. -№ I.e. 35-39

58. Новиков JI.A., Вольская Н.А., Хинчук Г. Моделирование рабочего процесса и эмиссии окислов азота (NOx) малотоксичного дизеля срециркуляцией ОГ, обогащенных кислородом// Двигателестроение, № 6,1991 г., с. 36-38.

59. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени: Пер. С англ./ Ред. Н. А. Чигир. М.: Машиностроение, 1981. - 407 е., ил.

60. Озимов П.Л., Ванин В.К. Развитие конструкции дизелей с учетом требований экологии // Автомобильная промышленность, 1998.-№ 11.-с.31-32

61. Полещук И.В., Фасхудинов А.Х. Применение теории подобия к исследованию процессов сажеобразования // Вопр. теории и расчета раб. процессов теплов. двигателей. Уфа, 1985, № 9. - с. 161-165