автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Снижение концентрации токсичных компонентов выпускных газов эксплуатирующихся дизелей речного флота

•4 5 ОД G С tlii U'.

На нравах рукописи УДК 621.436

J1ECHOB Юрий Павлович

СНИЖЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ ВЫПУСКНЫХ ГАЗОВ ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ ДИЗЕЛЕЙ РЕЧНОГО ФЛОТА

Специальность 05.08.05. — судовые энергетические устапозки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ног Г'

род

1 С 9 8

Работа выполнена в Волжской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор П. И. Бажан.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В. А. Звонцов;

кандидат технических наук, доцент Н. Н. Арефьев.

Ведущая организация — ОАО судоходная компания «Волжское пароходство».

Защита состоится 1998 г,

в аудитории .....¿л...... .. на заседании диссертационного совета К116.03.02 в Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603600, г. Н. Новгород, ул. Нестерова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГАВТа.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью предприятия, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета К116.03.02, к. т. н., доцент

Н. А. Почомаре

ОФЩЛЯ ХАРЛЕСТЕИВСТИКЛ РАБОТЫ Актуалв.смггт темы. Одной из проблем речного флота, особенно судоя река-море плавания, является снижение токсичности

иуша* газов главных (ГД) и всиомсггтеямшх дизелей.

Сгкозкые доходи судоходным компаниям приносят перевозки груза.. ess sejtyCeawux линиях. Пронимюгемие российского флота на мировой ры-sios фрахта (te может не беспокоить зарубежны» конкурентов, катары® начинают сооружать препятствия для фрахтования наших судоз. Одним из таких гсренятстпий я.-ияется недопустимо высокий (по европейским меркам) урззеиь токсичности выпускных газондпигатслей российских темохадоп.

Уаке сейчас ясно, что через 3-5 лет в европейских странах будут jssîîct-ккгатъ жесткие нормы на токсичность выбросов, соответствовать которым секзи морально yci превшие, большей частью с недоведенмым рабочим процессом двигатели не смогут, поэтому уже сейчас должны быть найдены дов-теточкэ эффективные и экономически обоснованные способы снижения •шшмнг-тм ¡.¡.пусишх газов, хотя бы по основным компоиегитам. Поэтому тгиа диссертаций, связанная с разработкой таких сггособоз, является актуальней.

Направления работ «о уменьшению токсичных выбросов дизелей го-пгзтюьз благодаря работам Зпонова Б.А., Петриченко P.M., Гладкова O.A., Скгйлиса В.И., Сомова В.А., Ищука Ю.Г., Лермяиа Е.ЕО., Жегалина O.S., Худом Н.И., Лебедева Q.H., Сисина В.Д., Старом A.A., Толинисга B.W. п мкогнх других. При этом для эксплуатирующихся дизелей речного ¿¡лета в наибольшей степени подходят регулирование угла опережения впрысклва-шея топлива, впрыскивание коды в воздушные трубопросоды или примет®* гавез водотоиливных эмульсий (ВТЭ). Каждый из этих методов хорошо соу-ч®и, одкако, мх совместное применение для дизелей речного флота Е£ ис-сладовалось.

ОДгль (рабаты. Целы© диссертационной работы является создида гаэ-тода сиизксмия концентрации токсичных компонентов выпускных пето газ» шшушгирующихся дизелей речного флота.

Поставленная цель предопределила следующие задачи иссмжзасязя: жиализ данных о влиянии угла опережения впрьгеки^а;::» в ВТЭ из протеками® рабочего процесса, а также методов оценки эхонокк^кспсЗ о лесообразности рассматриваемых мероприятий; обоснование методов исследования;

создание математических моделей процесса сгорания тсялгез й ВТЭ а рабочего процесса среднеоборотных дизелей, проверкз эли чодгягЗ иутгем сопоставления результатоп расчетов с экспериментальными дгягашз н та сгорректкрозга,

моделирование рабочего процесса дизелей речного флота с различны» ми углами опережения впрыскивания топлива и содержанием воды в ВТЭ;

создание метода и математической модели для оценки экономической целесообразности перерегулирования двигателя с одновременны использованием ВТЭ;

¡разработка рекомендаций по перерегулированию угла опережения впрыскивания топлива н использованию ВТЭ для основных типов дизелей речного флота.

Методы иссЛ'Едожгшмм. Работа (выполнена с помощью экспериментальных и теоретических методов.

Экспериментальное исследование выполнено на лабораторных стсвдгя и эксплуатирующихся судах. Теоретическое исследование выполнено путем компьютерного моделирования тепловых и аэродинамических процессов в рабочем цилиндре; вычислительный эксперимент поставлен в соответствию с методами математической теории планирования эксперимента, результаты обрабатывались методами регрессионного анализа.

Научна» иошпиа. Разработан метод оценки влияния регулирования угла опережения впрыскивания топлива с одновременным применением ВТЭ на рабочий процесс дизелей речного флота и их токсичные выбросы, основывающийся на компьютерном моделировании рабочего процесса с последующим анализом экономической целесообразности рассматриваемых мероприятий.

Созданы математические модели образования оксидов азота в рабочем цилиндре, влияния ВТЭ па процесс сгорания, эмиссию твердых частиц с выпускными газами.

Получены регрессионные модели влияния регулирования угла опережения впрыскивания топлива и содержания воды в ВТЭ на удельный расход топлива, эмиссию оксидов азота н параметры рабочего процесса дизелей типа 6ЧРН 36/45,6ЧН 20/26,6ЧРН 32/48.

Практическая ценность. Разработаны рекомендаций по перерегулированию угла опережения подачи топлива основных топов дизелей, используемых на речных судах в качестве главных двигателей, при условии одновременного применения ВТЭ.

Создана компьютерная модель, которая может быть использована для обоснования целесообразности мероприятий, направленных на улучшение рабочего процесса и снижение токсичных выбросов дизелей речного фланга.

Достоверность результатов подтверждается адекватностью математических ыоделей экспериментальным данным.

Алдюбация работы. Результаты проведенных исследований'докладывались и обсуждались на технических совещаниях в ВОРПе (1994-95 гг.),

г

научно-технической конференции ВГАВТ в 1996 г., международной научно-технической конференции по энергосбережению в г.Севастополз в 1597 г. п были одобрены.

¡ГВу&шкяцши. Основное содержание диссертации опубликовано в двух

работая.

4 Структура и юоыем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глаз, заключения и списка использовании« источников из П2 кшшемо-вяшй. Ока содержит N2 страницы машинописного текста, 28 рисунков, § таблиц.

СОДЕРЖАЩИЕ РАБОТЫ

Шф те&ешт обоснована актуальность темы диссертационного исследо- ■ саммя, поставлены цели и определены границы исследуемой проблемы.

В жрат'в глазе проанализированы пути снижения токсичности иргдпт вмбросов дизелей. Показано, что наиболее опасными с точки зрения достижения опасных концентраций в атмосфере в зоне выброса выпускных газоз являются оксиды азота N0*, диоксид серы 30: и сажа.

Поскольку содержание БОг предопределяется, главным образом, сер-ешстгастыет топлива, анализ мероприятий, связанных/с уменьшением ЗОг в вмшусгашх газах дизелей в работе не проводился.

Эффективным и доступным в эксплуатации средством снижения выбросов N0, является уменьшение угла опережения впрыскивания топлива

При этом снижается максимальная температура шиша (вследствие перемещения сгорания на кривую расширения) н концентрация иесгоргз-ших углеводородов (НС), однако, содержание сажи и дышюсть выпускных пшз увеличивается, кроме того.уменьшается мощность и ухудшаются экономические показатели.

Уменьшение эмиссии N0* можно достичь также впрыскиванием соды во впускиые патрубки двигателя или применением водотопливных эмульсий (ВТЭ), при этом резко снижаются выбросы сажи, содержание СО практически не меняется, содержание НС вследствие увеличения периода задержки несколько увеличивается.

По итогам анализа имеющихся в нашем распоряжении данных по стоимости, трудоемкости, получаемому эффекту от применения тех илл шш способов снижения выбросов N0, и сажи для дальнейшего исследования выбрана технология уменьшения концентрации токсичных компонентов выпускных газов, объединяющая в себе уменьшение угла опережения впрыскивания топлива и применение ВТЭ.

При выборе методов проведения исследований рассмотрены два пути» один из которых базируется на физическом, а другой - га вычислительном

ííKspüMCHTC. Показано, чт более предпочтителен второй путь с «сиэльзо-¿М!Квы адекватной комныалср&юй модели, достоверность которой r.zixvzs^-swsao результатами «njiptm зявгримош для отдешышк тачек нрогтраизтаз.

Прогшшшрсганэ сшш угла фт овчхюйи вшю тоаяява tía ©р» шшадсо рабочего процесса (по литературным кегочивш»), Согремеашнз крздстшзешш о физик® процесса сгорания топлива в цилиндре даягятвшз 1333Ш1ШГ считать, что скорость ойрвзошия в цилиндре о«««» ша прямо пропорциональна давлению газов и коэффициенту а*| избытка еэ> духа и представляет собой экспоненциальную функцию от зпергии К osr*s> ваш топлива (прямая зависимость) н тпикрлури Т в цилиндре в ко«ш реезэдки (обратная зависимость). Наибольшее влияние ю процесс образовг» ют NOs сказывает темперэтура в момент протекания реакции, которая в гжчвтеяъкой «ере зависит от да»- Чем дальше угол опережения Ифкавк»-икя «иг ВМТ Елезо, тем выше температура Т в процессе реакции образованию оксидов азота и тем меньше удельный расход Ьс топлива.

Чем меньше угол тем больше всрохтиость перехода процг&га ш>» paras ta кривую расширения, что влегет за собой снижение темперотурм рвЕздня, увеличение количества несгоревших частиц топлива (дкшоеетм}» а, еясдсегпгельно, удельного раскола топлива.

В глазе анализируются современные представления © фт»> »шичеясом механизме сгорания ВТЭ и выделяются прюшн, е помоздм» вюторих Ери моделировании рабочего процесса можно судзш» о празклшхя каеирсизкедении npasjscsa сгорания ВТЭ.

• Применение ВТЭ не свободно от офншпоьных последствий. В литературе приводятся данлые о шшшанмцейся в случае прммезоешя ВТЭ cks>-росли изнашивания втулок, [юршмевьах колш, ирщаетшшда деталей ют-взиой аппаратуры. Стоимость установок приготозтгашя ВТЗ доетшшзао выетка. Bss это требует рраадеиия беспристрастного акоаюммчегкого сиа-яиза, учитывающего реалии современной эхоломикм, е мелью иоязверзкде-шш экономической целесообразности использования сю судах разра&эта-сгемой технологии.

В гааке вчроаиалтеироетмм современные метода оценки зхояшкчвекой зффеетившгагта внедрения гашх разработок и показано, что в условиях зяо= ломики переходмого периода при проведении расчетов целесообразно отта-:гтагя от использования аморгошцншмш отчислений как шетаггаяятда ."ишчуатщиоанык издержек и учитывать вместо этого лаа срока окуветш» ~з: ©дик - для возврата бамкозскош крздита, другой - для »аахошшшая Eia реоювацшо. € целью пошшвмия досговсриостм расчещз б 6а-

лансс эксплуатационных издержек следует учитывать все затраты, спязл 1Ш5 с эксплуатацией установки приготовления ВТЭ и уменьшением ргсур. ответственных деталей ЦПГ и топливной аппаратуры, контактирующих '. ВТЭ. Заслуживает шммасшя также способ представления результате® экономического расчета - сопоставление требуемой \У и реально достигаемой экономии Нк топлива в результате внедрения новых разработок.

По результатам исследований, выполненных в главе, сформулированы задачи, котсрые необходимо решить в диссертационной работе.

Во второй глтг описаны математические модели рабочего процесса, задержка воспламенения и сгорания топлива, результаты вычислительного эксперимент, проведенного с целью выявления параметров, с помощью которых можно приблизить описание процесса сгорания ВТЭ к реальному, а • также результаты стендовых испытаний двигателя 6VD26/20 AL-2, по кото» рым "настраивалась" компьютерная модель рабочего процесса.

В основу математической модели рабочего процесса положены идеи и реализации специалистов ЦНИДИ, усовершенствованные по определенный позициям и адаптированные для дизелей речного флота.

С помощью построений этой модели в 6-10 итерациях на кем прота-jkämmm никла (720 "у.п.к.в.) для каждого текущего значения угла ер поворота кривошипа в рабочем цилиндре (одном) с помощью дифференциальных уравнений энергетического и массового баланса определяются параметры состояния рабочего тела - давление р и температура Т. При этом учитываются ose особенности газодинамических процессов, в том числе н кстечзика в каналах орланоз газораспределения, процессов теплопереносз от стеией к свежему заряду и от газов в охлаждающую среду и масло, процессов скесе-©бразовани i, подготовки топлива к сгоранию, воспламенения и сгоретгмя (в однородной но коэффициенту избытка воздуха в среде).

Массивы рассчитанных значений р и 7 з зависимости от утла (индикаторная диаграмма) являются данными, с помощью которых рггстстгааз-сотгсп индикаторные показатели цикла и количество образующихся окендоа гпота. После расчета механического к.п.д. по эмпирической формуле для среднеоборотных дизелей с учетом числа цилиндров определяются зффек-тавиые показатели двигателя и выбросы частиц.

Такова схема, но ее ¡наполнение много сложнее представленного описания.

Содержание N0, на всем протяжении процесса сгорания моделируется с помощью формулы:

J<P а,

= Ср-К-ехр\-Ел (R 7)]/(С.) , (I)

S

где С- коэффициент;

/Гд-энергия активации молекул топлива;

R • универсальная газовая постоянная;

/((.'<,,) - параметр, характеризующий ¡влияние содержания зсды с ВТЭ т образование оксидов азота, при С'* = 0 j{(\.) = 1.

Содержание твердых частиц в выпускных газах определяется по выведенному нами эмпирическому уравнению в зависимости от cwo*, скорости вихревого движения п КС, скорости впрыскивания и наличия окислительного нейтрализатора.

В основу математической модели процесса сгорания положена методика Н.Ф.Разлейцева, а период задержки воспламенения при работе на ВТЭ моделируется по методике Ю.Г.Ищука.

Методика Н.Ф.Разлейцева хорошо зарекомендовала себя при расчетах сгорания "сухого" топлива. Особенности сгорания ВТЭ она ке учитывает.

Для адаптации этой методики к описанию сгорания ВТЭ путем вычислительного эксперимента были выявлены факторы (параметры модели Н.Ф.Разлейцева), влияющие на скорость тепловыделения в различных фазах горения и продолжительность сгорания. Варьировались значения шеста факторов, использовался план №216 на шаре, выбранный вследствие большого числа уровней факторов.

Введенные после этого поправки к выявленным факторам позволили приблизить результаты моделирования к экспериментальным данным, прежде всего постах. фын, еж* и другим параметрам.

"Настройка" математической и компьютерной моделей рабочего процесса осуществлялась по. результатам испытаний двигателей типа 6ЧРН 36/45 и 6ЧРН 32/48 на судах, а для двигателей третьего и четвертого поколений фирмы S&L - по результатам испытаний, проведенных па автоматизированном стенде лаборатории СДВС ВГАВТа, включающем в себя дЕига-тель типа 6VD 26/20 AL-2 №601532, оборудованный муфтой тепа "Вулкан" с обслуживающими его системами, гидротормоз типа Ш 3 С=9-6?>, контрольно-измерительные приборы, датчики, кабельную раззодку, преэбргдэ-вапгели, газоанализатор типа АСГЛ-Т и другое оборудование.

Регулирование угла опережения впрыскивания топлива осуществлялось путем изменения углового положения установочного диска, расположенного на ведущем валу относительно приводной шестерни топливного насоса. Поворот установочного диска против направления вращения коленчатого вала приводил к более ранней подаче топлива в цилиндр, поворот установочного диска по направлению вращения коленчатого вала - к более поздней подаче топлива.

Регулирование температуры наддувочного воздуха осуществлялось пу-

тем изменения расхода охлаждающей воды из водопровода через ОНВ.

В качестве примера на рис.! приведены экспериментальные ¡графики изменения удельного расхода топлива и эмиссии N0* в зависимости от температуры наддувочного воздуха.

0. кг/(*Вт ч)

0.53 0.3 0.28 9.3« 0.34 9.23

ел

©шв, Г/5Е®т.Ч} ез

-50%Рэмом -35% Р» ном Р» ной

Ркс.5. Результаты экспериментального исследования влияния температуры наддувочного воздуха на параметры дгпеля 6УО 2610 А1-2

%

Благодаря использованию газоамалитической системы ЛСГА-'Г НПО "Акашггприбор" на каждом режиме винголой характеристики дизеля в вы-тускЕшя газах определялось содержание окиси углерода СО и оксидов азота NQjs в объемных процентах, которое затем нересчитывалось в г/(кВт ч).

Чкслснныс значения параметров Bt (b4), ha /'„ п, Тш, /„»i, í'no--., ''со, Рюя, ç^a ка каждом исследуемом режиме использовались для "настройки" компьютерной модели рабочего процесса.

' В nipcnibeîimaee описывается компьютерная модель рабочего процесса н проверка ее адекватности, представлены результаты моделирования рабочего процесса дизелей ряда 6ЧРН 36/45, 6ЧРН 32/48, 6ЧНСП 20/26, 6418 20/26, на основании чего сформулированы рекомендации по перерегулированию Ço„ перечисленных дизелей.

Компьютерная модель рабочего процесса создана на основе оверлейного механизма в системе Turbo Pasca!.

Резидентная часть СЕР программы постоянно находится в памяти, а в оверлейный буфер оперативной памяти попеременно загружаются коды оверлейных фрагментов, содержащих расширенные программы модслиро-вгишя процесса сгорания и процесса охлаждения (нагревания) наддувочного воздуха е ОН В.

Резидентная часть программы включает в себя тело самой программы GEP, а также многочисленные подпрограммы.

Для проверки адекватности модели использованы экспериментальны® данные по двигателям 6ЧРН 36/45 (Г70-5) и 641 ¡СП 20/26 (6VD 26/20 AL-2), имевшиеся в нашем распоряжении. Проверено влияние на параметр.; рабочего процесса и токсичные выбросы температуры наддувочного по^дух^, температуры воды внутреннего контура охлаждения, угла «о • :р-..жгмия впрыскивания топлива.

Точного совпадения' результатов расчета и эксперимента по геем kl следуемым параметрам достичь не удалось. Если, скажем, достагглась близость экспериментальных и расчетных значений эмиссии NOx, то при зтои значения йе, температуры газов и давления в цилиндре в расчете и эксперименте некоторым образом отличались. Б таких случаях проводились ымни-вычнелительные эксперименты и в итоге устанавливалось такое сочетаема коэффициентов »"параметров, которое обеспечивало правильный хараотгр ■•вменения Ьа ецюх и других контрольных параметров при изменении ia^ 7ia • s расчетные значения этих параметров отличались от экотерммееаталь-

г

ных аге более чем на 2 ст. где а - погрешность экспериментального определения параметра.

Большое внимание было уделено задаче приближения формы расчетных кривых выгорания топлива x-j\(<p), скорости тепловыделения dx/dq>-fi(«p), скорости нарастания давления dpds -■ fs(qs) к экспериментальным (три описании сгорания ВТЭ). Несмотря на то, что количества иарыв-руемых при "настройке" параметров модели Н.Ф.РазлсГнзеза было расширено, благодаря проведению дополнительного вычислительного эксперимента, получить кривые процесса сгорания, особенно кривую скорости тепловыделения, близкие по форме к кривым, которые приводятся в литературных источниках, не удалось. Мы связываем это с тем, что все резервы методики . Н.Ф.Разлейцева в плане описания сгорания нетрадиционных топлиз нами были исчерпаны. Вместе с этим удалось удовлетворительно воспроизвести юриакяю большинства параметров рабочего процесса и показателей дизеля в зависимости ©г содержания Cv зоды в ВТЭ. Выполненная статистическая проверка осомиыютсрной модели по удельному расходу топлива при оишса-шш сгорания "сухого" топлива и ВТЭ с различным содержанием воды подтвердила ее адекватность.

Проверенная и "настроенная" адекватная компьютерная модель посяу-шта объектом вычислительного эксперимента, проведенного с целью получения рекомендаций по перерегулированию для рассматриваемых дизелей речного флота. Использовано два подхода: моделировалась работа дизелей па режимах винтовой характеристики с перебором значений pon и С» и проводился активный вычислительный эксперимент. При реализации первого подхода было построено большее число графиков, анализ которых позволил дать рекомендации в первом приблгшемш. Прям ер-шй вид таких графиков показан нет рис.2.

Результаты расчетных исследований, выполненных применительно к дгоелзо Г70-5, позволяют рекомендовать для практической реализации с цельно уменьшения эмиссии NO» при сохранении топливной экономичности уменьшенное (по сравнению с паспортным 18-22") значение угла опереяе-мюэ впрыскивания топлива, равное 15°у.п.к.в. до ВМТ.'При этом опереясе-иии впрыскивания на номинальном режиме р^у=7,0-7,5 МПа, йе=2!5 г/(кВт ч), эмиссия N0, не превышает 15 г/(кВт ч), а выброс частиц - 0,035 г/(кВт ч). Перевод дизеля на работу ВТЭ с содержанием воды 15,5% позволяет дополнительно снизил» эмиссию NQ, на 3 г (кВт ч), a he уменьшить на 5 г/(кВгл)

9

75% pe how. <00% Ре ном. 50% pc ном. 25% pi ном.

it

Рис.2. Зависимость смоделированных карам строе дшелш i

на режимах винтовой характеристики от угла опережения

- ЬЛрЫСККВлНИЯ 1ШЛИМ 10

\

Возможно, в реальных условиях эксплуатации дизелей типа F70-S численные значения снижения содержания оксидов люта и удельного расхода топлива при перерегулировании окажутся иными - чуть больше или чгутпь меньше, чем прогнозируемые но результатам моделирования. Это яшлвни® можно признать совершенно нормальным, тем более, что тождестоеииость качественной картоны при этом сомнений не вызывает.

Вместе с этим следует заметить, что при представлении результатов моделирования а графическом виде возможны ошибки в определении цел®-сообразиык границ перерегулирования угла <р,„ и, что особенно важно для последующих экономических оценок, коккрешыч шачепий удельного расхода топлива при различных углах опережения впрыскивания топлива.

Для исключения такого рода ошибок необходимо получек:« по результатам вычислительного эксперимента математических зависимостей ввода йс=/|(й, ('„), t*N(), = M". С»), сконструированных с использованием статистических методов, исключающих ошибки з определении тенденции, с наиболее высокой в данных условиях точностью.

Иными словами, необходимы проведение на компьютерной модели активного вычислительного эксперимента и обработка его результате» кето-дами регрессионного анализа.

После анализа рекомендаций для моделирования'рабочего процесса дизеля Г70-5 на режимах винтовой характеристики (с изменением частоты сращения я изменяется и цикловая подача топлива iri/J с различными

значениями çb, и был выбран план №26, на основе которого был проведен вычислительный эксперимент, результаты которого обработаны методами регрессионного анализа.

В итоге после достаточно объемных процедур сопоставления точности и статистических характеристик регрессионных уравнений различного вмда мы рекомендуем следующие адекватные зависимости:

= ! 1.439 | | ; (2)

• = 3,26% ; R = 0,869 etraa = ®яр - 0,00666 я + 0,0297625 1^1- 0,0104069 С,) ; (3)

SA = 4,62%; Я = 0,992, гдз Sa ° стеоЕительиая с^дмяя квадрашческаа погрешность; R - котф-фивдиотт множественной корреляции.

Зжаисямостн (2) м (3) достоверны при я=250+350 ынн"', ç^ » = -5+-25Уш.к.э,С»=5*25%. .

¡Расчеты, выполненные с помощью уравнений (2) и (3), кокззызгот, та» при ^я=-20ву.п.к.в. н С*=0 £у=ф,235 кг/(кВт ч), ецо«=25,749 г/(кВт ч); пря

«5w=-15°y.n.K.B. и CVO fte=0,2377 кг/(кВт ч), cNOx=22,189 г/(кВт-ч), то есть пря смещении угла иа 5"у-п.к.в. в сторону ВМТ удельный расход топлива увеличивается на 2,7 г/(кНт-ч). Использование при этой регулировке двигателя ВТЭ с содержанием воды 15% позволяет снизить йе до 0,2234 кг/(кВт. ч), а еноч до 18,93 г/(кВт-ч).

' Таким образорл, ВТЭ не только компенсирует снижение hK при уметоь-шеишн (pixt, ио и приводит к итоговому уменьшению расхода топлива osa

Зависимости, подобные (2) и (3), мы получили и для определения других параметров рабочего процесса дизеля Г70-5.

Аналогичное расчетное исследование выполнено нами для дизелей фирмы 3K.L 6VD 26/20 AL-1,6VD 26/20 AL-2 и 6NVD 48 A-21J. Работа дизеля 6VD 26/20 AL-1 моделировалась по иафузочной характеристике. Выявлено, что в этом случае влияние щ„ иа эмиссию N0* слабее, чем, скажем, при работе дизеля 6VD 26/20 AL-2 по винтовой характеристике. С уменьшением нагрузки эмиссия NO, сначала надает, а затем возрастает. На удельны е! расход топлива при n=œnsl и уменьшении нагрузки угол çœ влияет сильнее. На основании полученных результатов сделан вывод о нецелесообразности регулирования дизеля типа 6VD 26/20 AL-1 ио углу опережения впрыскивания топлива.

Для дизелей фирмы SKL, используемых на речном флоте в качестве главных, ио результатам вычислительного эксперимента получены следующие адекватные зависимости: для дизеля 6VI) 26/20 А!,-2 ' Ье = 13,63 л"11574 I <ряя I ■"■вй5" Ск°'0]Ы6 ;

Sa = 4,3% ; R - 0,976 ; (4)

еыо* = еяр (5,09458 - 0,003 и + 0,0244251 | <рт ! - 0,0139 С„)

Sa — 4, ¡9% ; Я = 0,996 (S)

для дизеля 6NVD 48 A-2U

Ьс = 31,85 /Лша75 | | С^-от ;

Sa = 6,27% ; R = 0,8^9 ; (6)

еьиь. = схр (4,7984 - 0,0059074 п + 0,030254 | | - 0,0835 (\) ;

Sa = 4,48% ; R = 0,991 (7)

Расчеты, выполненные для дизеля 6VD 26/20 AL-2, с помощью уравнений (4) si (5) показывают, что при уменьшении угла опережения впрыскивания топлива с 20 до l6uy.n.K.D. на номинальном режиме работы удельный расход топлива повышается иа 1,34% [0,2095 кг/(кВт ч) против 0,2067 юг/(кВт-ч)], а эмиссия NO, снижается на 9,3% [12,5 г/(кВт-ч) против 13,23 г/(кВтч)].

tZ

Примерно такое же повышение h.. и снижение с^ох наблюдается и на режиме 75% номинальной нагрузки (и=800 мин"1). 13 случае использования ВТЭ с í"w=15% удельный расход топлива снижается на 4% [0,2013 кг/(кВт-ч) против 0,2095 кг/(кВт-ч)] и становится ниже, чем был до регулировки, примерно на 5 г/(кВт-ч), а эмиссия NOx снижается от 19,5 до 9,74 г/(кВт-ч).

Таким образом, итоговое снижение эмиссии NOx составит примерно 28%, что вместе с итоговым уменьшением удельного расхода тоштява экономически оправдывает применение предлагаемой технологии.

Для дизеля 6NVD 48 A-2U расчетный анализ с помощью уравнений (б) и (7) свидетельствует о том, что при уменьшении угла опережения впрыскивания топлива с -14°у.п,к.в. до -10"у.п.к.в. на номинальном режиме работы удельный расход топлива Ье увеличивается на 1,76 % [примерно на 4 г/(кВт ч)5, а эмиссия NO* снижается на 11,4 %. Использование ВТЭ дополнительно дает снижение Ье примерно на 8 % и в конечном итоге приводит к уменьшению удельного расхода топлива примерно sua 6% по сравнению с исходной регулировкой ?>„,, и работой на "сухом" топливе. ВТЭ также "снижает" на 11,74 % содержание оксидов азота и общее итоговое снижение эмиссии NOx составляет около 27,9 %.

Анализируя форму и коэффициенты уравнений (2)-(7), можно прийти к выводу о том, что универсальные рекомендации на основе нашего исследования по перерегулированию дизелей к использованию ВТЭ могут иметь только общий характер - можно уменьшить значение дзт на 4 - б°у.п.к.в., компенсируя обязательное ухудшение рабочего процесса применением ВТЭ. В результате использования предлагаемого нами метода возможно получить снижение эмиссии NGX на 25 - 30 %, а удельного расхода топлива -sa 3 - 6 %.

Более конкретные рекомендации для каждого дизеля речного флота можно получить пугем применения разработанного метода, включающего о себя вычислительный эксперимент на модели рабочего процесса и обработку его результатов с помощью различных программ регрессионного анализа. Итоги такого моделирования могут быть использованы также для создания злектронноуправляемых систем топливоподачи.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке экономической модели, необходимой для оценки целесообразности предлагаемых решений. С помощью этой модели выполнены требуемые экономические проверки и рассмотрен вопрос об обоснозании штрафных санкций за загрязнение окружающей среды.

Как было установлено в главе 1, для оценки экономической эффективности мероприятий по улучшению экономических показателей эксплуатирующихся дизелей наилучшим образом соответствует модель, благодаря

которой экономические оценки обосновываются путем сопоставления требуемой по условиям двойной окупаемости капитальных вложений экономно) ¡У и действительной экономии топлива, которую реально обеспечивает комплекс предлагаемых мероприятий. Если то внедрение новых тех-

нических предложений экономически обосновано, если IV > Нж, то предлагаемые мероприятия заказчику невыгодны.

Изучение вопроса и анализ работ предшественников привели нас к убеждению, что в случае использования модели, основанной на сопоставлении значений (К и Вж, срок окупаемости капитальных вложений нужно задавать, вернее, его должен задавать заказчик, будущий владелец новой текинки на базе своих субъективных представлений об этом сроке.

Рекомендации могут быть такими: при сроке службы Тс = 5-6 лет - срок окупаемости Т 1-2 года, при Тс = 6-10 лет 7 = 1,5 - 3,0 года, при 7'с>10 лет -Г*» 2,5 - 4,0 года и т.д. Приведенные здесь значения даны в соответствии с опытом рыночных отношений и являются ориентировочными.

В оспону реализуемой в модели экономической концепции положены широко распространенмме в развитых странах представления о выгодности капитал иных вложений:

1) шюженне денег в новую технику, в нашем случае в установку приготовления ВТЭ, должно обеспечивать большую прибыль, чем простое размещение денег на депозитные счета банков;

2) деньги должны делать деньги, то есть оборачиваемость камлала должна быть высокой;

3) осуществив.капитальные вложения благодаря кредиту банка только одии раз, в последующем владелец установки приготовления ВТЭ. шши жизнь должен получать прибыль вследствие интенсивной эксплуатации згой установки и благодаря своевременным решениям о замене устаревшие образцов на более эффективные и надежные нише.

На практике это сводится к требованиям быстрой окупаемости (первой) капитальных ыюжеимй (см. выше), накоплению за оставшееся врекш службы средств для приобретения новой установки взамен морально старессщей, но гак работающей (вторая окупаемость), и, кроме этого, к получеиию максимальной прибыли от эксплуатации рассмггариюемого оборудования.

- Швзно отметить, что суммы, достаточные для первой или второй окупаемости, и цена топлива долшш быть "адалггаровамы" к соотеетсшушщш времыишм периодам, то есть, чем больше срок первой коли второй окугаэ-мосга, тем большая сумма требуется для компенсации "удешевления" вложенных средств.

При разработке экономической модели учтено не очевидное на первый

взгляд положение: требуемая по условиям окупаемости (первой) капиталь-

# ■

них вложений экономия топлива ]VX не равна требуемой экономии топлива Wp за период Те - Т(Щ< Wt).

Тогда требуемую экономию топлива !>VK при капитальных вложениях К1р> приведенных к расчетному году, следует определять по формуле, 'Р.

i{' + Eп)'

W» =

т

+и

Нт —

(8)

где /;« - норма дисконта, процентная ставка банка за кредит, разделенная соа 100; И- эксплуатационные издержки; /;'„ - нормативны ii всоэ^^ищиёамг учета роста йены топлива, можно принимать /:„ = 0,00 - 0,03; ¡(т - стоимость 1 т топлива.

В состав издержек эксплуатации включены: затраты Щ па вбслужива° иие и ремонт установки приготовления ВТЭ; затраты Иф электроэнергии иа привод насоса установки и питание автоматики; расходы Ядт на внеплаио-иый ремонт или замену деталей и узлов двигателя, подверженных отривда-телыоому воздействию ВТЭ; дополнительные издержки Яру вследстетз ухудшения тошшвоиспользования при перерегулировании угла опережения впрыскивания топлива« цепью улучшения экологических показателей.

Для описания составляющей Ядап автором гаолучеиа следующая мула:

Имп = 0,П- КГ1 Г«-к

12 С,

I sr * ^-er j 2 \

«<-«Л/г ,JUan<n

WПР " np / ч "" np

где Гиа - продолжительность навигации, сут.;

к* - коэффициент ходового времени, представляющий собой штшташэ ходового времени при работе на ВТЭ к валовому времени навишдаи; i»число цилиндров главного двигателя (ГД); г - число ГД на судне;

Ес - нормативный коэффициент, учитывающий иовышенкз стшмоеш деталей ЦПГ вследствие повышения цен иа топлива, квошю гардають Е<г0,00-0,05;

Цт, Не, Ц\т //рф - стоимость соответстг.змно втулки, шмтршдащмго кольца, плунжерной пары и распылителя форсунки;

С'в .С:.С'ПП.С^ - нормальные скорости тнашиоашя, ммЛОШЗ) ч, о ответственио втулок, компрессионных колеи, нлуткерныя тар и раотшют&>

•ff

лей форсунок;

УУЩп" Л'/п. - предельный износ соответственно втулки, компрессионного кольца, плунжерной пары и распылителя форсунки; = количество компрессионных колец на поршне. Усредненные по подам эксплуатации издержки на ремонт установки | в экономической модели описываются следующей

И.

0,25 К

Т

т-з

<10)

а расходы электроэнергии на привод электродвигателя насоса установки приготовления ВТЭ и питания автоматики - зависимостью:

И^ = 24 Гщв кх Р^ СП

Т,

(11)

Как указывалось выше, при перерегулировании угла опережения пода» чм тогалига в цилиндры дизеля в сторону уменьшения (к ВМТ) содержание окевдш азота в выпускных газах уменьшается, »го при этом ухудшается рабочий процесс, выхлоп становится более дымным, и юсе это проявляется в увеличении удельного расхода топлива йе. Повышение должно повлечь за собой увеличение И^ на величину:

л,

prora"

■ ме р,ХАР

10'

1-6 1-1

(12)

где АЬе - увеличение удельного расхода топлива: АЬС = Ь?а -Ь*' ;

Ь?а - значение при измененном в сторону уменьшения от ижэдеотй регулировки угла фа, опережения впрыскивания топлива; - значение Ье при заводской регулировке угла мощность дамгателя на характерном режиме работы, для ГД пассажирских судов примерно равна 60% от номинальной мощности, для грузовых судов - 70-75% от номинальной.

В формуле (12) учтен, рост стоимости топлива вследствие инфляционных процессов.

Составляющую можно выразить следующим уравнением:

/'/рм]> ~ ^'ЧКПГф » (13)

где С-'жипр - сэкономленные на штрафах средства, оцениваемые по сг.н-жанжо и выпускных газах содержания окислов азота:

(.'•«„пр = А^оч г/'""Л™ Л\ Шн<н 24 • 10"6 , (14)

А'моч - снижение содержания ЫОх в выпускных газах вследствие перерегулирования <рж, г/(кВт ч):

А'НОх = с-Й, - .

е\ох ' содержание N0, после перерегулирования грт.

ЧччАг 1,УО»

е'-ц,- содержанке оксидов азота в пыпускнмх газах судовых дизелей, регламентированное нормативными документами;

Шщуь - штраф за загрязнение окружающей среды оксидами азота.

Теперь:

И = И? + + + (15)

С помощью разработанной экономической модели оценена экономическая целесообразность использования разработанной ¡„янологии для двигателей 6ЧРН 36/45 (70-5), 6ЧРН 32/48 (6НУО 48 А-211) (эти два двигателя шмболее широко применяются на судах речного флота) и 6ЧНСП 18/22.

От типа двигателя зависят стоимость деталей топливной аппаратуры и ЦП Г, изнашивание которых предположительно ускоряет применений ВТЭ, и предельные скорости изнашивания этих деталей. ■ ■

Для каждого из перечисленных двигателей на созданной экономической компьютерной модели проводился активный вычислительный з>кот®-римешт, результаты которого обрабатывались с помощью программ рггрэз-евюшгого анализа.

Во всех случаях капитальные вложения на приобретение и мешана установки приготовления ВТЭ, приведенные к расчетному году, приняты рзв-ными 3000 долларов США, срок окупаемости - около 2 навигаций, продолжительность навигации -120 суток, срок службы установки - 7 лет.

Варьируемыми факторами принята скорости изнашивания втулки С?[; кольца СЦ; плунжерной пары с"п; распылителя форсунки и еодерш-5158® С* е50ды в ВТЭ, %.

В качестве отклика использовался параметр У/ - минимальная экономия тоялива, оправдывающая применение рассматриваемого метода.

Штрафы за загрязнение окружающей среды токсичными выбросами дизелей приняты в соответствии с существующим в настоящее ержя положением, то есть минимальными.

/Г

При проведении вычислительного эксперимента использовался выбранный нами композиционный симметричный план, в котором 5 факторов в 26 опытах варьировались на трех уровнях: +1; -1 и 0.

Содержание воды а ВТЭ варьировалось в диапазоне 5-25%.

После обработки результатов вычислительного эксперимента с помощью программ регрессионного анализа получены следующие регрессионные модели:

к двигатель типа 6ЧРН 36/45

IV = 9,279655 + 3,297886 С^ С* + 5,509196 СЦ " ; (16) = 0,9897; 5Л=0,82%;

двигатель типа 6ЧРН 32/48

8,9568 +0,01290254 Сш+0,6881191 (:ЦгСи ; (17) Л = 0,876; 5А =1,08%;

двигатель типа 6ЧНСП 18/22 IV" 7,736105 + 34,7473 С1,? + 0,01257759 С» - 1,1592264 С'/^ С\ ; (18) Л = 0,9564; = 0,89%

В уравнениях (16)-(18) скорости изнашивания ('¡^, сЦ" , имеют размерность мм/1000 ч.

Анализ уравнений (16)-(18) показывает, что на результаты оценки экономической целесообразности применения разработанного метода не влияют скорости изнашивания компрессионных колец, плунжерных пар н распылителей форсунок. Как бы отрицательно не влияла ВТЭ на скорости изнашивания перечисленных деталей, на общей экономической оценке целесообразности применения ВТЭ и метода в целом это не сказывается.

Анализ уравнений (16) и (18) свидетельствует также о том, что содержание воды в ВТЭ довольно слабо влияет на IV для двигателей типа 6ЧРН 32/48 и 6ЧНСП 18/22 - вклад соответствующих членов уравнений в общую сумму IV не более 320 кг топлива. Двигатель типа 6ЧРН 36/45 здесь стоит особняком - для него содержание воды в ВТЭ оказывает существенное влияние на IV.

Двигатели типа Г70-5 расходуют во время навигации порялка 1,5 т топлива в сутки. За 120 суток навигации один двигатель расходует примерно 180 т топлива.

В случае, если установка приготовления ВТЭ обеспечивает экономию расхода топлива 1%, то эта экономия Вш в тоннах составит 1,8 т, 2% - 3,6 т, 3% - 5,4 т.

Расчет с помощью уравнения (16) при С?? =0,05 мм/1000 ч и С»=15% дает значения ^=4,75 т, следовательно, условие выполняется только в том

Я

случае, когда установка приготовления ВТЭ обслуживает два ГД рассматриваемого типа в составе СЭУ и обеспечивает 3%-ную экономию топлива, что с учетом увеличения расхода топлива в случае уменьшения близко к пределу возможностей ВТЭ, или обслуживает СЭУ, имеющую в составе три ГД при экономии топлива 2,2%, что вполне реально даже с учетом того обстоятельства, что перерегулирование срж повлечет за собой увеличение удельного эффективного расхода топлива на 1-2 г/(кЗт ч). Следовательно, установка приготовления ВТЭ стоимостью 2500 долларов США (500 долларе® США затрачивается на монтаж установки и трубопроводов на судне) окупает себя в течение двух навигаций (более точно - 2,2) на пассажирских теплоходах проектов 30!, 92-016,302, 302М, которые используют в качестве ГД три двигателя типа 6ЧРН 36/45 (Г70-5).

Двигатели типа 6ЧРИ 32/48 используются на грузовых судах в качестве ГД, обычно на речных грузовых теплоходах два ГД. За 120 суток навигации один двигатель рассматриваемого типа мощностью 485 кВт расходует примерно 162 т топлива. Значение Я« при 2% экономки топлива составит 3,24 т, 3% - 4,86 т, 4% - 6,48 т. Расчеты, выполненные с помощью уравнения (17), показывают, что в случае применения ВТЭ экономия топлива за навигацию составит как минимум 9,2 т, что с учетом ухудшения экономичности в случае перерегулирования угла опережения подачи топлива трудно достижимо, хотя и возможно. Гарантировать заранее экономическую целесообразность применения ВТЭ с перерегулированием <рж нельзя, в каждом конкретном случае необходимо выявить действительную экономию топлива в результате применения ВТЭ, и, если она будет менее 4,9%, что проблематично, то можно считать применение рассматриваемых мероприятий целесообразным. Вместе с этим наши оценки показывают, что если в качестве об'ьекта исследований взять двигатель той же размерности, но с 8 цилиндрами и мощностью 770 кВт (типа ЗМУО 48 211), то применительно к нему разработанный метод может быть признан экономически оправданным при обеспечиваемой ВТЭ экономии топлива 2,4%.

Анализ экономической целесообразности применения ВТЭ и метода в целом для двигателей типа 6ЧНСГ1 18/22 показывает, что для двухвальныя СЭУ с двигателями рассматриваемого типа перерегулирование <роп и монтаж установки приготовления ВТЭ стоимостью 2500 долларов США оказывается экономически невыгодным.

Выполненное в настоящей главе исследование имеет ценность не только с точки зрения полученных результатов применительно к конкретным двигателям и ситуациям. На примере проведенного анализа легко проследить возможности разработанного метода как с точки зрения реализации

глазной задачи - снижения токсичности выбросов судовых дизелей, так и со стороны экономического обоснования предложенных мероприятий. Сммтез разработанного метода н экономической модели позволяет иметь универсальный инструмент, с помощью которого могут быть решены конкретные задач» снижения эмиссии токсичных компонентов выпускных газов.

В глаие сделана попытка обосновать размер штрафов за загрязнение окружающей среды. Анализ показал, что размер штрафа за свсрхнормэтив-ные снбросы N0.4 должны быть такими, чтобы владелец считал для себя выгодным в течение 2-3 лет направлять деньги не на уплату штрафа, а на приобретение, монтаж и эксплуатацию природоохранных установок с тем, чтобы в последующие 5-7 лет не платить никаких штрафов.

Для подтверждения выдвинутого положения с помощью разработашаой экономической компьютерной модели был проведен вычислительный эксперимент, результаты которого, представленные в аналитическом и графическом виде, подтвердили нашу концепцию. Выявлено, что размер штрафных санкций должен быть увязан со стоимостью природоохранной установки и топлива. Единый размер штрафных санкций для двигателей различной мощности может быть принят только в том случае, когда стоимость природоохранной установки, в нашем случае установки приготовления ВТЭ, будет прлмо пропорционально связана с мощностью двигателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Главными научными результатами работы автор считает следующее:

1. В итоге выполненных исследований установлено, что объединение в одной технологии двух хорошо проверенных способов снижения токсичности выпускных газов судовых дизелей - уменьшение угла опережеаамя иода-чн топлива и применение ВТЭ - способствует нейтрализации отрицательный следствий регулирования двигателя в сторону ухудшения рабочего процесс® н позволяет получить как снижение эмиссии М0Х и дьшности выпусквшш: газов, так и некоторое снижение расхода топлива.

2. Для оценки экономической целесообразности применения разработанной технологии на судах создана экономическая модель, базирующаяся на концепции двойной окупаемости капитальных вложений и учитывающая движущие силы и приоритеты рыночной экономики.

3. Адаптирована, отлажена и настроена для задач оценки экологических показателей дизелей речного флота компьютерная модель процесса сгорания, благодаря которой произведен вычислительный эксперимент и получены рекомендации па перерегулированию наиболее распространенных на речном флоте дизелей.

Помимо этого получен ряд частных выводов, наиболее значимыми из

НО

котсрт яЕлядатея следующие:

а) а свуч!» иршаеизиу-а рпрвбтюй и обошшяжЯ а деовсрядагя теявавсгеи птшю волучигъ msspewmo шхш! эшюсш НОх ш 30-30% оз удельного расхода тошгаЕа - ira 3-6%;

б) ефмшяяийв защищаемой тешжш зюмимомчвсяю идаисевбрашо s мвдагакммж СЭУ еумгжриой мощиостыо дшгаталей болев 1500-20$) кВт' щш) прз^йжотеяыюета извитеими 129 еутох, a для мнв® мощных СЭУ - о вяучз» (1ршю)Я(!»шт1ГО увшчши чидвшишяышя навигации;

с) выявлено, что возможное «прюпомнс слздотие применения ВТЭ, css32»s:oc с увеякчеЕсием сксрсотей нзмодиодгая, при экономических свдм-кач сказывается значимым только для щилшвдрояых втулок,

Можно с уперпиюшо считать, что юимошю» вшшсвпе изю&заэт» кия ксриш^шх шец, ¡яуткринх пар тшюш июш, распылителей мледэтЕие применения ВТЭ на оаииу экономической эффективности ив влоояэт;

г) ç помоеды© pspImmoS хюпшршбй модели выкошена попитой с£ошшт ¡¡дамера вщфш еюпсцмй за загрязкетсе охружаюифй ерзда еыпувюшки гетши дазеяей. Ушнияшц то размер санкции дои-ием Sim врншн к стоимости ирфвдапфшпшмв хсгаеовки и тошт-вз. Пзяуш урявиеммя, котсрме могут быть кжшшш для этой цели.

Оажнж штатная дшхртщия ау&штат в аеедучщих рабшах отпора:

1. Еаш П.И.» Лесков ЮЛ. Тшпямкюшюе обозяезакю® зф= февттнссти пртскшия ВТЭ иа речш суда». //Наука а тюснкка ка рв«»8в траззспорте - М., ИФЗ^шдаЛО.е. 1-10

2. Бахши П.И., Авдшвама В.Я., Лесков Ю.П. Мотенэткчесазя к®дэя& рабочего nposasœi и результаты шычивлзлгеиьиого зютершитота ко еиетз®-зек» кшмш омврош» дгтелгй речиы» судов. //Модадоровгкйб и еж»-шгкдая «шел еюзтега: МеявутеняИ еблюучимя труда» **30Ф я®г Pes--«мйгкшу флоту".» Вмга.273» ч.2. - ШНоагавод, 19%. =>©.112

Z1

Офсзгн&я печать. 1998 г. Формат буыап: 60кЗА ,/16. Газатияд. Печ.л. ✓О Тира* -/ОО Заказ Цена договорная.

603600, Н.Новгород, ул.Нестерова, 5.. Тип. ВГАВТ. Лиц. ПЛД 55-24.