автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Снижение вредных выбросов судового дизеля в переходных режимах

РГ6 од

О У |398 На правах рукописи

якунчиков владимир владимирович

УДК 621.436

СНИЖЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ

Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9/

Москва 1997

Работа выполнена в Московской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

В.И. Толшин

Официальные оппоненты: д.т.н., проф. И.В. Леонов

к.т.н., проф. A.C. Хачиян

Ведущая организация: НПО «Коломенский завод»

Защита состоится « 2 » млрта 1998г. в «14го» час. на заседании диссертационного Совета К053.15.08 в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 107005, г. Москва, Лефортовская наб., д.1, факультет «Энергомашиностроение».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке московского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим высылать по адресу: 107005, г.Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного Совета К053.15.08.

Автореферат разослан « 2. » qp&cpQ/ч^я 1998г.

Ефимов С.И.

Ученый секретарь п

диссертационного Совета, J'

к.т.н„ доцент Д^/)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В течение .ряда последних лет международные организации, ведающие охраной окружающей среды, постоянно повышают требования к эмиссии токсичных выбросов ОГ дизелей. Вместе с тем, зарубежные нормы существенно жестче, чем нормы, установленные в России. Например, в США ужесточение норм на токсичные выбросы касается прежде всего СЭУ судов, работающих в 7 - мильной прибрежной зоне. Известно, что в портах превышение норм по выбросам ОГ особенно относится к судам, работающим в маневровых режимах (швартовка, отход от причала, пуск и прогрев двигателя). Выполнение перспективных норм по вредным выбросам ОГ особенно сложно реализовать для дизелей с газотурбинным наддувом. Разработанные средства снижения вредных выбросов на установившихся режимах, такие как использование водо-топливной эмульсии (ВТЭ), прямое впрыскивание воды в цилиндр двигателя, являются малопригодными для дизелей, работающих в маневровых режимах из-за опасности попадания воды в масло дизеля и удаления воды из топливной аппаратуры, наличие которой может быть вызвано возможным расслоением ВТЭ. Развивающиеся в настоящее время средства очистки ОГ с помощью каталитических нейтрализаторов пока еще дороги по стоимости. Также малоэффективно применение для неустановившихся режимов рециркуляции газов, которая эффективна для снижения NOx: но не эффективна для снижения продуктов неполного сгорания. Направление исследования было нацелено на поиск эффективных способов снижения вредных выбросов судовых среднеоборотных дизелей с турбонаддувом в эксплуатационных (установившихся и переходных) режимах при одновременном обеспечении невысоких эксплуатационных затрат. Область исследования ограничивается дизелями с умеренным турбонаддувом (степень наддува 1.3-1.6), который имеют большинство дизелей речных судов: 6ЧСПН 15/18 (ЗД6, ЗД12), 6ЧСПН 18/22, 6НФД26А, 6НФД36А, 6НФД48АУ, 6Л16/22.5 ПНС, 6Л275 ПН.

Цель работы

Йа основании выбранного направления исследования в диссертации поставлены следующие задачи:

1. Провести экспериментальное исследование рабочего процесса судового пропульсивного двигателя с турбонаддувом (7tK =1.3) в экс-

плуатационных (установившихся и переходных) режимах с целью выявления основных зависимостей содержания оксидов азота СЫОх) и продуктов неполного сгорания в ОГ дизеля от характера его режимов работы для разработки эффективных средсти снижения вредных, выбросов. , - -

2. Разработать математическую модель и программу расчета, позволяющих оценивать индикаторные и эффективные показатели, содержание N0* и сажистых частиц при работе дизеля с ик =1.3+1.6 в эксплуатационных режимах, а .также различные способы снижения токсичных выбросов.

3. Провести расчетные исследования с целью анализа эффективных способов снижения вредных выбросов и разработать рекомендации для среднеоборотного судового дизеля с =1.3+ 1.6.

4. Экспериментально подтвердить эффективность способов снижения вредных выбросов, полученных расчетным путем.

Научная новизна

1. Экспериментально показано, что в переходном режиме про-пульсивного дизеля с турбонаддувом (при разгоне до номинального значения крутящего момента) имеет место увеличение концентрации сажистых частиц в 5-6 раз (с 150 мг/м3 на номинальном режиме до 800900 мг/м3 в начальный момент разгона), обусловленное попаданием части топливной струи на стенки камеры сгорания. Имеет место также перерегулирование на 20% концентрации оксидов азота при разгоне (1100 ррт в начале разгона и 930 ррт на установившемся режиме). Удельные выбросы 1>ЮХ повышаются до 50 г/кВтч в начальный момент разгона и снижаются до номинального значения 10 г/кВтч за 30-40 секунд при выходе дизеля на установившийся режим.

Впервые показано, что главными вредными выбросами среднеоборотных судовых дизелей с 71к= 1.3+1.6 в переходных режимах являются не сажистые частицы, а МОх. Массовое соотношение выброса N0* и сажи при разгоне достигает 8:1 для дизеля с тгк= 1.3.

2. Путем расчетного и экспериментального исследования установлено, что в переходном режиме содержание оксидов азота в ОГ зависит от периода задержки самовоспламенения топлива, коэффициента избытка воздуха и температуры в цилиндре, а также обоснована правомерность использования формулы фирмы В.яртсиля для скорости образования оксидов азота с1МОх/с1т, которая отражает эту зависимость.

3. Расчетным исследованием установлено, что содержание сажистых частиц в переходном режиме в основном зависит от количества топлива, попавшего в пристеночную зону камеры сгорания. Предложены эмпирические зависимости для относительного значения концентрации сажи на переходных режимах в зависимости от коэффициента избытка воздуха в топливной струе и на установившихся режимах в зависимости от коэффициента избытка воздуха и задержки самовоспламенения топлива. .

4. Методика расчета эксплуатационных режимов пропульсивного дизеля, разработанная ранее на кафедре СЭУ и Автоматики МГАВТ и усовершенствованная путем расчета тепловыделения в цилиндре двумя экспонентами по методу И. И. Вибе позволяет оценивать содержание оксидов азота и сажистых частиц при различных изменениях параметров элементов системы дизель - турбокомпрессор - регулятор скорости -винт - судно и характера эксплуатационных режимов.

5. Путем расчетного исследования показано, что применение комбинированной системы регулирования угла опережения подачи топлива и системы регулирования остаточного давления в топливопроводе является эффективным способом, который позволяет для дизеля с объемным смесеобразованием (пх = 1.3) при частичном разгоне в течение 30 сек снизить суммарные выбросы N0* на 60%, суммарные выбросы сажи на 20% и максимальные выбросы сажи на 50% без заметного влияния" на время переходного процесса дизеля и судна.

Практическая ценность работы

1. Обоснованы законы управления углом опережения подачи топлива, величиной цикловой подачи, остаточным давлением в топливопроводе, а также подачей дополнительного воздуха в переходных режимах дизеля с турбонадцувом (л:к = 1.3+1.6) с целью снижения выбросов оксидов азота и дымности в зависимости .от степени наддува.

2. Разработанная математическая модель может быть использована для расчетных исследований работы СЭУ в эксплуатационных режимах и определяет величины токсичных выбросов ОГ при изменении режима работы и конструкционных параметров СЭУ.

3. Апробированные устройства - временный ограничитель хода рейки и система подачи дополнительного воздуха - могут быть использованы для снижения вредных выбросов ОГ дизелей в переходных режимах.

4. Создан стенд, на базе которого можно исследовать процессы в цилиндре, в топливной аппаратуре, турбокомпрессоре и вредные выбросы ОГ в установившихся и переходных режимах судового дизеля с комплексом программ для автоматизированной обработки на ПЭВМ сигналов от датчиков, установленных на двигателе и на турбокомпрессоре, позволяющий получить основные показатели работы дизеля и турбокомпрессора.

Достоверность данных и методики

Достоверность данных обеспечивается достаточно большой серией экспериментов (15), а достоверность методики подтверждается путем сравнения экспериментальных и расчетных данных. Различие при моделировании среднего индикаторного давления рт; от реального составляло до 6%, максимального давления сгорания рг от реального составляло до 3%.

Реализация работы

1. Предложенное автором устройство установлено на теплоходе "Москва-189". В результате испытаний показано снижение дымности при разгоне и набросе нагрузки на 40%.

2. Разработанный и созданный стенд по исследованию работы СДВС используется для .проведения НИР и учебного процесса для студентов специальности 14.02 и 24.05.

Апробация работы

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно - техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию двигателей внутреннего сгорания в МГТУ им. Н. Э. Баумана в 1995, 1996 и 1997 годах, на научно - методической и научно - исследовательской конференции МАДИ (ТУ) в 1996г, на симпозиуме II международной транспортной выставки "Транстэк - 96", а также международном семинаре «Двигатель-97» (МГТУ).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ,1 отдельные разделы диссертации содержатся в отчетах научно - исследовательских работах кафедры СЭУ МГАВТа, участником которых был автор.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 158 страниц основного текста, включая 57 рисунков, 16 таблиц и 6 страниц приложений. Список литературы включает 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, и отмечаются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализирован комплекс задач, стоящих перед водным транспортом, по улучшению экологических показателей двигателей внутреннего сгорания и выделено, как главное, вредное воздействие на окружающую среду отработавших газов (ОГ) транспортных дизелей. Выделена, как отдельная, проблема эксплуатации судовых дизелей в эксплуатационных режимах, в которых имеют место увеличенные выбросы вредных компонентов ОГ. Рассмотрены основные направления по снижению токсичных выбросов пропульсивных дизелей в эксплуатационных режимах. Согласно требованиям 1МО к 2000 году нормы по токсичности ОГ должны быть ужесточены. В частности, содержание КОх в ОГ предстоит сократить до 10 - 13 г/кВтч (для среднеоборотных дизелей), СО - до.56 г/м3, НС - до 2 г/м3, а содержание дымности до 0.15 г/м3. Данные по нормированию вредных выбросов приведены в таблице 1 и на рис.1.

N0, , г/(кВтч) 20

16

12

8

4

200 600 1000 1400 1800 п, мин"1

Рис.1 Предельно допустимая эмиссия АЮХ для судового дизеля и перспективные требования к дизелям (Европа и США)

Таблица 1.

Требования к судовым двигателям Департамента воздушных ресурсов

Судно Двигателя Предельный выброс (США) КОх, г/кВгч Предельный выброс (Россия, ГОСТ 24585-81) КОх, г/кВтч

Новые суда главные 2 29 (Ье<214г/кВтч)

Новые суда вспомогательные 10 11 (Ье>268 г/кВтч)

Старые суда главные 10 -

Старые суда вспомогательные 12 -

В свете этих проектов представляют значительный интерес работы ряда зарубежных фирм, разрабатывающих нормы на вредные выбросы ОГ судовых дизелей. В частности, фирмой Вяртсиля предложена следующая формула для оценки влияния различных факторов на выбросы ЫОх:

(1т а!

где: Р и Т - давление и температура в цилиндре;

Е - энергия активации в реакции образования КОх;

011 - коэффициент избытка воздуха;

А - постоянная, Я - универсальная газовая постоянная.

Выражение получено на основании представления физического процесса образования оксидов азота в виде реакции N и О, скорость которой пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ и экспоненциальной зависимости N0, от температуры.

Проведен обзор работ ученых и исследователей по данному вопросу. Вопросы исследования токсичности дизелей освящены в работах В. С. Батурина, В. А. Звонова, О. А. Гладкова, О. Н. Лебедева, Е. Ю. Лермана, В. И. Смайлиса, В. М. Фомина и др. Исследованию систем автоматического регулирования дизелей с целью улучшения качества ре-• гулирования и снижения токсичности посвящены труды ряда ученых: В. И. Блаженова, В. И. Крутова, И. В. Леонова, В. А. Маркова, В. И. Толщрна, и других. Исследования рабочих процессов в дизелях и топливной аппаратуре выполнены И. В. Астаховым, Р. М. Васильевым -Южиным, Л. Н. Голубковым, А. С. Лышевским, Н. Н. Патрахальцевым, В. И. Трусовым, А. С. Хачияном, О. Б. Леоновым и другими. В этих работах показано, что улучшение качества переходных процессов дизелей

с одновременным снижением дымности и оксидов азота может быть достигнуто путем применения регулирования начала и конца подачи топлива, взаимосвязи регулирования с параметрами дизеля: частотой вращения, нагрузкой, давлением наддува. Разработаны математические модели рабочих процессов дизеля с турбонаддувом и процессов в-топливной аппаратуре. В работах ЦНИДЙ, Коломенского тепловозостроительного завода, МГТУ им. Баумана, СПб ГУВК, НГАВТа, МГАВТа разработаны устройства для улучшения качества переходных процессов судовых и транспортных дизелей и дизель-генераторов.

Вместе с тем, причины увеличенных вредных выбросов отработавших газов пропульсивных дизелей с турбонаддувом, работающих в эксплуатационных режимах, и способы их снижения были изучены недостаточно. Отсутствуют конкретные рекомендации для снижения токсичности ОГ пропульсивных дизелей с умеренной степенью наддува, особенно в режимах разгона и торможения. По результатам анализа были сформулированы задачи исследования, изложенные выше.

Во второй главе приведены схема исследовательского стенда, методика эксперимента и результаты экспериментальных исследований судового среднеоборотного двигателя с турбонаддувом.

Стенд для проведения эксперимента создан на базе судового дизеля 6ЧНСП 16/22.5 (6L160PNS). Стенд, помимо штатных измерительных приборов, оборудован датчиками для регистрации сигналов на ПЭВМ и на шлейфовом осциллографе: давления в цилиндре, давления в топливопроводе, верхней мертвой точки, частоты вращения, давления и температуры наддува и хода рейки. Для преобразования аналоговых сигналов от датчиков в цифровой вид использовалась типовая плата АЦП. Для обработки данных создан программный комплекс, включающий программу обработки тарировочных характеристик датчиков, программу конвертирования данных из бинарного в ASCI код и выделения из общего массива данных заданного числа последовательных циклов, программу анализа индикаторных диаграмм для определения основных параметров рабочего процесса, включающую в себя осреднение заданного количества циклов, определение температуры стенки втулки и результирующей температуры цикла, обработку рабочего цикла и определение констант тепловыделения, а также моделирование рабочего цикла.

Для замеров продуктов неполного сгорания топлива в эксплуатационных режимах работы дизеля использовались приборы:

- газоанализатор "BOSCH ЕТТ008.36", определяющий содержание в ОГ следующих компонентов: СО, С02, НС, 02.

- газоанализатор "GASTEST' G750", определяющий содержание в ОГ следующих компонентов: NOx, СО, С02, НС, 02.

- газоанализатор. "Testo-350" определяющий содержание в ОГ следую-.. щих компонентов: NO, N02, СО, С02, НС, 02.

Для замеров дьшности ОГ (сажистых частиц S) использовался оптический. дымомер "BOSCH RTT100", с постоянной времени 2 секунды, позволяющий записывать последовательно до 20 точек.

Для получения необходимых данных в дизельной лаборатории МГАВТ в 1995 - 1997 годах была проведена серия экспериментов на стенде дизеля 6ЧНСП 16/22.5 (пном = 750 мин'1, рте = 0.84 МПа). Были проведены замеры параметров работы дизеля по четырем точкам винтовой характеристики (рис.2). Также были проведены серии разгонов для анализа переходных режимов и испытания предложенных устройств снижения токсичных выбросов ОГ. Проводились замеры компонентов ОГ и испытания устройств временного ограничения подачи топлива, подачи дополнительного воздуха в дизель, экспериментальные и расчетные исследования влияния на вредные выбросы изменения угла опережения подачи топлива. .

Геометрический угол опережения подачи топлива на топливном насосе высокого давления изменялся при экспериментах от 22° до 26° с . целью исследования его влияния на вредные выбросы судового дизеля в эксплуатационных режимах.

Результаты испытаний двигателя на установившихся режимах.

Неравномерность работы цилиндров по pz находилась в допустимых пределах и составляла 4%. Результаты испытаний по составляющим вредных выбросов в ОГ дизеля приведены в таблице 2.

Таблица 2.

ОТНОСИТ, кол-во теплоты в первой фазе X] п частота вращения (мин"1) Нагрузка (отн. значение) NOx удельные (г/кВтч) S(Caxa) удельные (мг/кДж) НС (ррт) СО (%)

концентрация (ррт) концентрация (мг/м3)

0.4 500 0.32 15.5/1000 0.053/22 18 0.04

0.4 600 0.47 13.9/980 0.078/36 24 0.07

0.2 770 1.0 9.5/930 0.245/151 32 0.20

0.16 790 1.05 9.1/900 0.454/287 44 0.216

Примечание: удельные выбросы сажи приведены по отношению к полезной работе.

При n > 700 мин"1 удельные выбросы N0* не превышали требования по ГОСТ 24585-81 и составляли 9.5 г/кВтч; при снижении частоты вращения значение удельных выбросов NOx росло до 15 г/кВтч (вследствие роста Tj-на 45%) но не превышало требования ГОСТ. На всех режимах работы удельные выбросы NOx превышали перспективные требования ИМО примерно в 5 раз. Дымность на всех режимах не превышала ГОСТ 24028-80 для данного типа двигателей, а на режиме 5% перегрузки по мощности (п=790 мин'1) дымность превысила допустимое значение в 1.9 раза. .

Обработка осциллограммы показала, что в фазе кинетического сгорания скорость тепловыделения выше, а количество выделившейся теплоты меньше, чем в фазе диффузионного сгорания, величина Х| изменяется от 0.4 при 500 мин"1 до 0.17 при п=770 мин"1 при угле опережения подачи топлива 24° поворота коленчатого вала (ПКВ). Скорость тепловыделения в фазе кинетического сгорания гораздо больше, чем в фазе диффузионного.

Влияние угла опережения подачи топлива на токсичные выбросы иллюстрируют диаграммы на рис.2-4. Уменьшение угла опережения подачи топлива с 24° до 22° ПКВ приводит к снижению NOx на номинальном режиме на 12%, удельный расход топлива возрастает на 1%-й дымность увеличивается в два раза. Длительность процесса тепловыделения возрастает. Увеличение угла опережения до 26" ПКВ приводит к увеличению NOx на 22%, дымность на номинальном режиме снижается на 50%, однако максимальное давление сгорания возрастает до 10 МП а, что превышает допустимое значение для данного дизеля, равное 8.5 MI 1а. - "

При увеличении частоты вращения дизеля по винтовой характеристике цикловая подача топлива Ьс и скорость топливоподачи üf возрастают. Время впрыскивания твпр увеличивается. Период задержки самовоспламенения Tj с ростом п уменьшается из-за роста давления и температуры в цилиндре и из-за роста частоты вращения. Изменения перечисленных параметров приводят к изменению относительной доли цикловой подачи Ьс„ впрыснутой за период задержки самовоспламенения и концентрации NOx.

При малых углах опережения подачи топлива увеличение п приводит к снижению ij, более интенсивному снижению bci, жесткости процесса и NOx чем при больших величинах ф„„. Рост скорости топливоподачи ог за время т,- при малых значениях ср0п сказывается незначительно. При увеличении сроп до 26° ПКВ до ВМТ увеличение скорости

плунжера вследствие большого значения х, приводит к увеличению ЬС1, поэтому (dxi/di) и NOx возрастают.

На рис.3-4 представлены зависимост2б°:онцентрации NOx и скоростей тепловыделения (cbq/dx) в фазе кинетического сгорания от относительной доли цикловой подачи bci при разных углах опережения подачи топлива. Между NOx, bCi и dx^dx имеет место прямая зависимость.

ррш

100С

S00

26°

1

24° _ I 22° ~

\

Ч

Von ¡V lili

bei,

Ж Тг;

150 140 130

4° —

2

\

ч

фоц-22" \

1 1 1

Т1, MC

3.3 2.5 2.0

—

26° г | "

...

ч N 1

X 24"

> 4J у

фоп=22° 1 1

500

600

600 500 600 770 п.-ч-' 500 600 770 п,-

Рис.1 Изменение параметров дизеля при работе по винтовой характеристике: а) концентрация КОх, б) цикловая подача за время задержки, в) задержка воспламенения топлива

770 п,— »*

хек.

ррш 1000 900 800

s" ■

t

/

/

\

N

\

\ у >

Ч, Ч ч

X

— фол=22° - - i., i i i i-24° PI-

120 130 140 150bei,«г 500 600 770 п,«--1

Рлс.2 Концентрация NOx в 1 Рис.3 Скорость телловыделе-зависимости от bei ния в 1 фазе по BX

На рис.5 представлены зависимости удельного, расхода топлива дизеля 6ЧНСП 16/22.5 от угла опережения подачи топлива и различных частотах вращения дизеля, непрогретого и при нормальном тепловом режиме.

Для рассматриваемого дизеля с низким наддувом минимальный. расход топлива во всех случаях соответствует 24° ПКВ до ВМТ.

Влияние коэффициента избытка воздуха а, и подачи топлива на дымность иллюстрируется кривыми на рис.6-7.

ю

Уменьшение коэффициента избытка воздуха ОС] приводит к увеличению дымности, уменьшение угла опережения подачи топлива приводит к уменьшению т,-, процесс сгорания переносится в фазу диффузионного сгорания и процесс выгорания сажи сдвигается к моменту открытия выпускного клапана. На основании данных испытаний между удельным выбросом сажи (дымностью) и периодом задержки самовоспламенения в установившихся режимах может быть установлена функ-

циональная зависимость 8 = щ мые путем эксперимента.

' тГ где а и Ъ - постоянные, определяе-

Ье г/кВтч

250

220

210

Г 1

/

>

V

И-Ч

п=/эи ^

\

\

ч 1Ь>"

\ 24 Л-

Ч- - к

1 1—-

фогГ^

1 1 1

N

\

Ч а! =2.05-2.1

20 22 24 26 .2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 СЧ 2.0 2.5 З.ОП.мс

Рпс.4 Удельный расход топ- Рис.5 Выбросы сажи в завися- Рис.6 Выбросы сажи в зависимо-

лива в зависимости от угла мости от коэффициента избытка СП! от задержки самовоспламене-

ОЛТ воздуха ния топлива

Результаты испытаний двигателя в переходных режимах. Влияние частоты вращения дизеля при прогреве на холостом ходу на выбросы N0* и сажи иллюстрируются кривыми рис.8. При увеличении частоты .вращения с п=400 мин"1 до п=550 мин'1 концентрация МОх падает вследствие снижения периода задержки самовоспламенения. Суммарные выбросы Е1ЧОх не увеличиваются, несмотря на рост частоты вращения дизеля. При п>600 мин'1 суммарные выбросы МОх возрастают. .

Дымность изменяется мало и составляет около 5-6 % в единицах Боша. Поэтому режим прогрева при п=550 мин"1 является наиболее эффективным. Время прогрева и суммарные выбросы будут тут минимальными. •

Изменение концентрации N0* в режиме разгона при различном угле опережения подачи топлива показано кривыми на рис.9. Исследования показали, что в первоначальный момент коэффициент избытка воздуха снижается до 1.4. индикаторный КПД до 0.31, по сравнению с их величинами на номинальном режиме 2.07 и 0.36 соответственно. В

п

первый момент переходного процесса выбросы сажи увеличиваются на 80%, и МОх на 20% по сравнению с их значениями на установившемся номинальном режиме.

Рис.8 Зависимость концентрации АЮЛ и суммарных относительных выбросов А'Ох от частоты вращения дизеля на холостом ходу дизеля 6ЧСПН16/22.5 Причина увеличения токсичных выбросов состоит в том, что в первый . момент переходного режима период задержки самовоспламенения т, существенно больше, а давление наддува и частота вращения меньше, чем на установившемся режиме, в то время как подача топлива идентична подаче на номинальном режиме. В результате имеет место заброс концентрации N0* вследствие увеличенной задержки воспламенения и заброс дымности вследствие попадания струи топлива на стенку камеры сгорания. Чем меньше значение скорости перемещения рукоятки управления регулятором с&р/ск, тем меньше перерегулирование по N0* и Б.

м

NOx

10

20

Т,сек

Рис.9 Зависимость эмиссии N0. от времени разгона дизеля при разных углах опережения подачи топлива дизеля 6ЧСПН16/22.5

Влияние подачи дополнительного воздуха в ресивер дизеля на

концентрацию сажи в ОГ приведено в таблице 3.

Воздух подавался автоматически во впускной коллектор дизеля от баллона емкостью 100 л в начальный период переходного процесса. Варьировались расход воздуха и время подачи. Рекомендуемый расход выбирался исходя из приемлемого уровня дымности при минимальном расходе воздуха-из баллона. ■

- Таблица 3.

Влияние подачи дополнительного воздуха в ресивер дизеля на выбросы

Время Расход Расход Sсреднее Баллон

расхода, воздуха, % от мг/м3 мг/м3 р 1 начальное

сек ' кг/сек номин. s0 . Sep 0 Р 1 конечное;

кг/см2

10 0.25 100 150/0.16 87/0.25 30/10

5 0.1 40 525/0.58 180/0.51 30/22.5

3 0.06 25 673/0.74 200/0.57 22.5/17

0 0 0 900/1.0 350/1.0 —

Существенное снижение среднего значения выброса сажи достигается при экономичном расходе воздуха из баллона (25% от номинального) в течении 3 сек в случае разгона с 500 до 750 мин"! по винтовой характеристике.

Эффект оценивался по отношению количества поданного воздуха к величине снижения дымности, которая в случае расхода воздуха, рав-

ного 25% от номинального расхода в среднем за период разгона понижалась на 40-50%.

Влияния подачи воздуха, временного ограничения хода рейки и комбинации этих устройств на снижение дымности в переходном режиме показано.на рис.10.

s

мг/м3 900

. SOO 700 600 500 400 300 200 100

О 3 6 9 ÍZ 13 18 ZX Z4 27 3ÍJ

Рис.10 Зависимость выбросов сажи от времени переходного процесса

Установка специального автоматического устройства разработанного на кафедре СЭУ МГАВТа, управляющего подачей дополнительного воздуха в зависимости от скорости изменения затяжки пружины регулятора скорости, позволяет подавать воздух в строго ограниченном количестве, необходимом в. каждом конкретном случае в условиях эксплуатации.

В третьей главе приведена методика моделирования совместной работы дизеля и турбокомпрессора. На основе полученных математических зависимостей модель, созданная ранее на кафедре СЭУ и Автоматики МГАВТа под руководством Толщина В. И., позволяющая имитировать систему дизель - турбокомпрессор - регулятор - винт - судно, дополнена новыми элементами: расчетом процесса топливоподачи нерабочего процесса в цилиндре с использованием методики И. И. Вибе для' описания тепловыделения в фазах кинетического и диффузионного сгорания в виде экспоненциальных зависимостей. Описание процессов газообмена выполнено по инженерной методике Р. М. Васильева - Южи-

i I I I I I I

gSg рачпж без применения средств снижения дымности

разгон с применением подачи воздуха Ш Р231"0**с ограничением хода рейки () Ос) О* разгон с комбинацией ограничения хода -рейки в течении 10 сек и подачей воздуха

на, а также расчетными зависимостями для определения эмиссии оксидов азота и сажи, полученными при обработке результатов эксперимента. При расчете давления и температуры в цилиндре дизеля использованы известные уравнения первого закона термодинамики (ЛПИ, НКИ) и уравнения теплопередачи, которые решаются при краевых условиях 3-го рода. Коэффициент теплоотдачи от газа к стенке определен по формуле В. С. Семенова. В результате расчета также определяется результирующая температура цикла и по известной температуре охлаждающей воды внутреннего контура определяется средняя температура стенки втулки цилиндра. Моделирование характеристик турбины производится с помощью двухмерных массивов эквивалентной пропускной способности и КПД турбины в зависимости от коэффициента напора турбины Нт.

Алгоритм решения системы алгебраических и дифференциальных уравнений для расчета установившихся и переходных режимов системы дизель - турбокомпрессор - регулятор скорости приведен в монографии В. И. Толшина "Форсированные дизели. Переходные режимы и регулирование".(Машиностроение 1995) с.60-66.

Расчеты параметров в цилиндре выполняются в каждой точке установившегося и неустановившегося режима путем использования для этих целей моделирования тепловыделения с помощью 2-х экспонент, которое приведено ниже.

Процесс газообмена моделируется упрощенно эмпирическими зависимостями. Принимается, что газодинамические процессы в турбине и компрессоре в переходном и установившемся режиме одинаковы и поэтому. универсальные характеристики компрессора. и стандартные турбины могут быть использованы для переходных режимов. Эти характеристики должны быть занесены в память компьютера.

Главные компоненты вредных выбросов отработавших газов: сажа (Б) и оксиды азота (N0*) моделируются так же, как и процессы тепловыделения в цилиндре - с помощью эмпирических зависимостей. Инерционностью процессов наполнения впускных и выпускных трактов пренебрегается. * **

Цель, которая достигается с помощью методики расчета, состоит в том, чтобы при различном характере переходного режима судовой пропульсивной установки выбрать закон изменения угла опережения и количества подаваемого топлива таким образом, чтобы уменьшить вредные выбросы отработавших газов.'

Моделирование сажеобрамтания

Известно, что выгорание сажи существенно зависит от концентрации кислорода. Во многих работах отмечается существенное влияние коэффициента избытка воздуха на содержание сажистых частиц.

Если величина ai падает, количество сажистых частиц возрастает. Время впрыскивания и период задержки самовоспламенения ti также существенно влияют на образование сажистых частиц.

Позднее время впрыскивания и меньший период самовоспламенения приводят к увеличению доли топлива, которое горит в период диффузионного сгорания, процесс выгорания сажи снижается к моменту открытия выпускного клапана и дымность возрастает.

В дополнение к механизму образования сажи, изложенному выше, в переходном режиме часть топливной струи попадает на относительно холодную стенку камеры сгорания и увеличивает образование сажи по низкотемпературному механизму. Этот процесс происходит в случае если период самовоспламенения дольше, или если плотность заряда в цилиндре меньше, чем в сходственном установившемся режиме. Высокотемпературный и низкотемпературный механизмы образования сажи взаимодействуют.

Однако в настоящем методе расчета действие этих механизмов, в целях простоты расчета условно разделено. Результат действия высокотемпературного механизма образования сажи может описываться эмпирической зависимостью:

• Ss= а"а (2)

где Ss=S/S„, t¡=t¡/tíh

S - удельный выброс сажи г/кг топлива на текущем режиме работы; SH - то же на номинальном режиме;

x¡ - период задержки самовоспламенения на текущем режиме; x¡„ - то же на номинальном режиме; а и Ъ - постоянные, ае2 ; Ь=7 (для 6ЧНСП 16/22.5);

Низкотемпературный процесс образования сажи в переходном режиме может описываться эмпирической зависимостью:

St=aCTc (3)

где St= S/ S„,

S - выброс частиц в г/кг топлива; S^- то же на номинальном режиме;

~ anexen, - относительный к-т избытка воздуха в струе топлива; сгст - коэффициент избытка воздуха в струе топлива;

йети ■то же на номинальном режиме.

Для 6ЧНСП 16/22.5 по результатам испытаний as2 ; bs2, с=3. Тогда: S — Ss + St

Коэффициент избытка воздуха в струе можно оценить косвенно, используя следующую формулу: " "

Рв

а„

_ «сг _

а„

Ь,

(4)

где: рв - относительная плотность заряда в цилиндре в момент начала впрыска, bci - относительная цикловая подача за задержку; Ист,, - коэффициент избытка воздуха струи на номинальном установившемся режиме, который рассчитывается по значению bc¡ и объему струи (А. С. Лышевский).

S

мг/м3 900

650

400

150

0.08 0.11 0.14 0.16 а

Рис.11 Зависимость относительной дьшности от относительного коэффициента избытка возд)гха топливной струи При обработке экспериментальных данных для получения зависимости удельных выбросов сажи от ап использовались осциллограммы давления топлива в топливопроводе и давления в цилиндре, на основании чего точно определялось время задержки (рис.12). За это время рассчитывалась количество топлива, поступившее в цилиндр. На основании полученных данных вычислялось а„. Обработка этих данных позволила установить зависимость (3) между дымностыо и относительным значением коэффициента избытка воздуха в топливной струе (рис.11). ■ .

Моделирование оксидов азота

Точные методы расчета выбросов N0* развиты в ряде работ В.И. Смайлиса, В.А. Звонова. В.А. Звоновым приведены уравнения для скоростей образования N0* в соответствии с цепным и бимолекулярным . механизмами и показано, что около 90 % N0* образуются по цепному механизму :

N2 + 0 » N0 + N-314 кДж/моль (5)

N + 02 N0 + 0 + 314 кДж/моль

Скорость первой реакции является определяющей и зависит от количества атомарного кислорода, который, в свою очередь, находится в прямой зависимости от величины (а.1-1) / а.].

В настоящей работе использовался инженерная зависимость фирмы Вяртсиля._ Формула (1) отражает преимущественное влияние температуры в цилиндре на скорость образования М0Х.

Моделирование процесса тепловыделения осуществлялось 2-мя экспоненциальными зависимостями по усложненной методике И. И. Вибе. При моделировании использовались следующие постоянные коэффициенты: хь х2 - относительные доли теплоты, выделившиеся в фазе кинетического и диффузионного сгорания соответственно, срь ср2 - относительная продолжительность кинетической и диффузионной фаз сгорания, пц, Гог - показатели сгорания в фазе кинетического и диффузионного сгорания.

Величина X] определялась количеством топлива, впрыснутого и испарившегося за период задержки воспламенения, при условии, что в фазе кинетического сгорания испаряется и сгорает 40-50% топлива,, впрыснутого за период задержки воспламенения. Выражение для определения Х[ имеет вид:

(6,

где: Ьис - относительное количество топлива, испарившегося за время задержки воспламенения; по данным обработки экспериментов, это значение составило порядка 0.4.

Ьс/Ьс - относительное количество топлива, вошедшее в цилиндр за время задержки воспламенения;

х2 = 1 - XI - Днеп (7)

где Днсп - неполнота сгорания топлива, приближенно определялась по методике ЛПИ (Ленинградского политехнического института) и зависела от дымности (на номинальном режиме составляла 0.3%).

Значение cpi определялось по формулам ЛПИ:

dx, г atpj

т mai

где (dxi/dî)max определялся по эмпирической зависимости, в основном, как функция от коэффициента избытка воздуха и периода задержки воспламенения.

Значение ср2 соответствовало величине общей продолжительности сгорания cpz. Результаты испытаний показали, что продолжительность сгорания фг в основном зависела от задержки воспламенения и изменялась в пределах 15% от номинального значения.

Расчеты по четырем точкам винтовой характеристики, на каждой из которых обрабатывалось 10 последовательных циклов показали, что максимальная скорость тепловыделения в первой фазе (dxi/di)max может быть описана следующей зависимостью, полученной на заводе "Двигатель революции" для дизеля 6ЧН 25/3.4:

dx 1

—Ч = const -а3-!, (9)

dm У

т max

где а - действительный коэффициент избытка воздуха;

Т( - задержка самовоспламенениятоплива в цилиндре, мс;

а=0.3, b=2.78, const=0.0011 (для двигателя 6ЧН 25/34);

Математическое моделирование позволило установить влияние зависимости показателей сгорания mi и т2 на скорость тепловыделения. При этом коэффициент Ш] изменялся в пределах 0 - 0.5 и его влияние на pz было незначительно. Показатель сгорания mi принимался равным обратной величине максимальной скорости тепловыделения в первой фазе:

(dxX

Ш] = —1 max (10)

иф j

Исследования позволили установить, что показатель диффузионного сгорания т2 находится в обратной зависимости от величины максимальной скорости тепловыделения в диффузионной фазе (dx2/dT)max.

Га V1 dx,

m7 =

dtp

(П)

Величина (dx2/dT)maj. может быть определена по эмпирической зависимости, как функция от коэффициента избытка воздуха в цилиндре и коэффициента избытка воздуха в топливной струе:

—- - const •

dtp ;max

•a

- для установившегося режима

(12)

/dx Л

v

dtp

= const • aCTb • a°

- для переходного режима (13)

У шах

Для двигателя 6ЧНСП 16/22.5 а = 0.25, Ь = 0.25, с = 0.25. ■ В частности, для двигателя 6ЧНСП 16/22.5 ш2 на различных установившихся режимах составлял величину от 0.4 до 0.6.

Тепловыделение в цилиндре вычислялось по сумме тепловыделений в фазе кинетического и диффузионного сгорания:

X — х' + х" (14)

где х' и х" - коэффициенты тепловыделения в фазе кинетиче-

ского и диффузионного сгорания соответственно:

42

1 - ехр

| ">1,2 4

-6.9'

Ф-Фн „ ^

(15)

В целях сокращения времени счета, расчет процесса топливопо-дачи в топливопроводе высокого давления проводился по упрощенному статическому методу, предложенному Андреевским Н. А. и показал достаточную сходимость с экспериментом. Обработка осциллограмм также позволила уточнить формулу для определения периода самовоспламенения для данного двигателя. За основу была взята формула В. С. Семенова, постоянный коэффициент в которой был уменьшен на 10%.

МПа

Pz

>fz =

tí = 2.3 мс

ti_C= 2.4 но

fl = S.7»

f2 = 16.6»

f3 = 5.5«

f4 = .142.6°

alfa= 1.B5

PC = 3.94МПа

Л - 1.96

Gt = 31.58кг/'м

Gair= ЭЛвкг/ч

bc = О. 22

bei = 0.11

xl = 0.2С

Рнс.12 Осциллограмма давления в цилиндре и тотивопроводе при работе по винтовой характеристике, п=770 мин1 и Ре~ 100%' где: ' alfa - действительный коэффициент избытка воздуха; ti - реальная задержка воспламенения топлива, мс tic -задержка воспламенения топлива по формуле Семенова, мс fu,3,4 - продолжительность фаз в градусах JTKB;

bc, bei - цикловая подача топлива в цилиндр и количество топлива, поступившее в цилиндр за время задержки соответственно, гр.

1

т.

N I

\ Ч

1 \ ¡4

А р. i

1 I

\1

i X

1 \

1

! 1

/

1 \

!

РнсЛЗ Осциллограммы в цилиндре, наложенные на математическую модель для точек ВХ:

а) и = 500 мин' Ре = 32%,

б) п=600мин1 Ре-47%, е) п=770мин' Ре=100%, г) п=790»тн' Ре = 105%

а<о «20 «во

Осциллограммы давлений в цилиндре, полученные экспериментально (рис.12), и результаты моделирования процессов в цилиндре по

о

приведенным методикам показывают, что разность в величине ртах составляет 3-5% а по величине рт; не более 6% (рис.13). Это позволяет сделать заключение о достоверности полученных величин по приведенным выше формулам для моделирования рабочего процесса в цилиндре двигателя.

В четвертой главе приведены результаты расчетных исследований и сделан их анализ.

Установившиеся режимы. Результаты расчетных исследований влияния степени наддува на выбросы оксидов азота дизеля 6ЧНСП 16/22.5 с тгк = 1.6 при изменении угла опережения подачи топлива представлены на рис. 14.

Шх ррт

8000 5000

2000

' 500 600 700 800 п, мин"1

Рис.14 Зависимость NО* от угла опережения подачи топлива Задержка воспламенения растет при уменьшении частоты вращения дизеля с кк =1.6 быстрее, чем на двигателе с як =1.3. Относительный рост задержки для двигателя с лк =1.6 составляет 60% вниз по винтовой характеристике (с 770 до 500 мин"1), тогда как для двигателя с тгк =1.3 от составляет всего 40%.

Рост 1; приводит к увеличению степени повышения давления при сгорании X, максимальной температуры и выбросов МОх. Увеличение периода задержки дизеля с ттк=1.6 более интенсивно увеличивает МОх с уменьшением частоты вращения из-за большего изменения давления наддува, а также из-за увеличения относительного количества топлива, поданного за время задержки ЬС1 и максимальной температуры в соответствии с изменением скоростного режима. Увеличение фоп приводит к увеличению выбросов ЫОх в противоположность низкому наддуву.

Расчетные исследования показывают, что если на номинальном режиме выбросы дизеля с наддувом отвечают требованиям по содержанию N0*, то на частичных режимах они могут существенно превышать эти нормы.

Ч -Фо г2 44 Пк= = 1.< >)-

1 ч ч

ф„ =22°(Пк=1.6)

. 1 * [\

9« =2 --1Л N

\

яи- 11 —

Исследования также показывают, что дизели с наддувом должны быть оборудованы устройствами для изменения угла опережения подачи топлива, для уменьшения МОх и уменьшения расхода топлива. В противном случае, снижение частоты вращения пропульсивного дизеля со средним наддувом (як=1.6) приводит к существенному (в 5 раз) увеличению удельных выбросов N0*.

Одним из путей уменьшения >ЮХ на частичных режимах является использование автоматического изменения угла опережения подачи топлива, результатами которого является уменьшение сроп в соответствии с уменьшением п и нагрузки пропульсивного дизеля.

Воздействие угла опережения впрыска топлива фоп на эффективный расход топлива при различной частоте вращения дизеля с Пк~1.3-1.6 было исследовано с помощью расчетов. Минимальный расход топлива при п=770 об/мин, достигался при фоп=2б° поворота коленчатого вала, причем с уменьшением частоты вращения минимум по Ье смещался в сторону уменьшения угла опережения и при частоте вращения 500 мин'1 находился на угле опережения 22°. Это происходило по следующей причине: уменьшение частоты вращения дизеля приводит к увеличению времени от начала подачи топлива до ВМТ, которое приводит к увеличению доли топлива,- которое сгорело до ВМТ и уменьшению полезной работы в цилиндре. Поэтому оптимальный угол опережения впрыскивания, должен быть уменьшен до соответствующей частоты вращения.

Моделирование проводилось на «тяжелых» и «легких» винтовых характеристиках дизеля для выявления основных зависимостей параметров дизеля - Ье, выбросов МОх и сажи от режима работы. При моделировании тяжелой винтовой характеристики для буксира выбиралась баржа с увеличенным водоизмещением, при этом скорость ее буксировки падала; для получения легкой характеристики водоизмещение состава уменьшалось и скорость буксировки росла.

Анализ полученных результатов позволил сделать вывод: чем выше степень наддува дизеля, тем сильнее должен уменьшаться период задержки самовоспламенения при снижении частоты вращения и нагрузки для обеспечения минимального удельного расхода топлива при минимальных выбросах N0* и допустимых выбросах сажи. Для этой цели может быть предложена система регулирования угла опережения подачи , топлива в зависимости от давления наддува и частоты вращения. Принципиальная схема этой системы предложена на рис.15.

Переходные режимы. При работе в переходных режимах при на-бросе нагрузки угол опережения подачи топлива целесообразно увеличивать с временной задержкой, соответствующей времени разгона турбокомпрессора или приращению давления наддува. Это условие может быть реализовано в предложенной системе с помощью микропроцессорного блока. Задержка приведет к уменьшению доли топлива, сгоревшей в фазе кинетического сгорания, что затормозит рост N0*.

Если дизель оборудован приведенным автоматическим устройст- ■ вом, то изменение угла опережения подачи топлива позволяет существенно снизить перерегулирование по N0* в переходных режимах.

После снижения скорости роста давления наддува (с1рщ/с1т) угол опережения подачи топлива должен быть увеличен до величины, соответствующей установившемуся режиму. Результаты этих расчетов при-. ведены ниже и показывают эффективность предложенного метода.

Рис.15 показывает схему системы автоматического регулирования

Рис.15 Система регулирования углом опережения подачи топлива

Система регулирования углом опережения подачи топлива предложена на основании данных по установившимся и переходным режимам для двигателя с тск=1.6 и включает в себя:

МП - микропроцессор

ТНВД - топливный насос высокого давления

ДВС - двигатель внутреннего сгорания

ИУ - исполнительное устройство изменения угла опережения подачи топлива

в 9 12 15 18 21 24 27 ЗО

Рис.16 Разгон двигателя (Пк = 1.6, Ре=180 кВт), работающего на винт буксира с баржей суммарным водоизмещением 350т:

-;— с применением системы управления р/ост

" " ~ " без применения систем снижения вредных выбросов

Кривые рис.16 показывают расчетные результаты переходного процесса - частичного разгона дизеля 6ЧНСП 16/22.5, тск=1.6, Ре=180 кВт. Дизель установлен на буксире' водоизмещением 50 тонн, который толкает баржу водоизмещением 300 тонн с начальной скоростью 1.8 км/ч.

Пунктирные кривые показывают изменение параметров дизеля без средств снижения токсичных выбросов. Сплошными линиями показаны параметры дизеля с применением устройства задержки увеличения давления" в топливопроводе. Время переходного процесса в этом случае увеличивается на 2 сек. Цикловая подача за время задержки уменьшается из-за уменьшения давления впрыскивания. Из-за снижения Гтах и ртах на 10% суммарные выбросы >ЮХ также уменьшаются на 10%.Суммарные выбросы сажи снижаются на 20%.

Исследования показали, что удельные и суммарные выбросы сажи увеличиваются если степень наддува увеличивается. Если степень наддува растет с 1.3 до 1.6, то удельные выбросы сажи в момент выхода рейки топливных насосов на упор увеличиваются в 2 раза и превышают номинальный уровень й* 10 раз. Максимальная дымность при разгоне у двигателя с низким наддувом растет в 5 - 6 раз и достигает 800 - 900 мг/м3, в то время, как у двигателя со средним наддувом значение максимальной дымности в период разгона увеличивается до 1800 мг/м3, т. е. растет в 12 раз.

Различие объясняется меньшими значениями коэффициента избытка воздуха и относительно большим количеством топлива, попавшим в пристеночную зону в двигателе со средним наддувом в начальный период разгона вследствие большей инерционности турбокомпрессора. ......... . . . .

ю

0.5

Иг ш

1.1 800

650

0.3

500

и —--—

0 6 12 18 ,24 30 Т

Рис.17 Разгон двигателя (Пк = 1.6, Ре-180 кВт), работающего на винт буксира с баржей суммарным водоизмещением 350т:

- с применением ограничения хода рейки в течении 5 сек

- - - • без применения систем снижения вредных выбросов

Расчет ущерба был выполнен в соответствии с табл. 2 и показал, что экологический ущерб от выбросов сажи дизедя со средним наддувом сравним с экологическим ущербом от N0*, исчисляемым в условных тоннах [О. А. Гладков, Е. Ю. Лерман]. Этот факт должен быть учтен при выборе средств для снижения токсичных выбросов в зависимости от степени наддува.

Кривые рис.17 иллюстрируют результаты расчетных исследований применения временного ограничения подачи топлива при разгоне судна. Ограничение приводит к временному уменьшению доли топлива, сгоревшего в фазе диффузионного сгорания. Относительная доля топлива, сгоревшего в фазе кинетического сгорания, где имеет место образование оксидов азота, увеличивается, в особенности у двигателей со степенью наддува выше 1.5. Это увеличивает удельные выбросы оксидов азота более интенсивно, чем снижает выбросы сажи. .Суммарный ущерб от N0* растет. Итоговый результат зависит от выбросов N0* и от значения степени наддува.

Диаграмма на рис.18 иллюстрирует преимущества различных способов снижения выбросов N0* и дымности среднеоборотных и тактных дизелей типа 6ЧНСП 16/22.5 в переходных режимах при частичном разгоне судна (буксира с баржей 350 тонн дедвейта).

Е №1к вит ■ Б эит ■ Б тзх

111 0,93

1 2 3 4 5

Рнс.18 Гистограмма данных по различным сериям разгонов N0* 5ига - относительное суммарное значение выбросов оксидов азота; ' Б™, - относительные суммарное значение выбросов сажи; 5 „да - относительное максимальное значение выброса сажи;

1) - разгон без применения средств снижения вредных выбросов;

2) - разгон с подачей дополнительного воздуха в ресивер дизеля;

3) - разгон с запаздыванием изменения угла опережения подачи топлива в зависимости от изменения давления наддува (20° в течения 15 секунд разгона);

4) - разгон с изменением рГ0СТ пропорционально частоте вращения две;

5) - комбинированный разгон с управлением р^ и утлом опережения. * Снижение врёдных выбросов достигается использованием:

• подачи дополнительного воздуха (2);

• автоматического изменения угла опережения подачи топлива с временной задержкой 15 секунд и в соответствии с изменением давления наддува (3);

• временной задержкой в увеличении остаточного давления в топливном трубопроводе высокого давления (4 );

• комбинированным использованием системы задержки увеличения угла впрыскивания и задержки увеличения остаточного давления в топливном трубопроводе высокого давления (5);

Результаты исследований показывают, что комбинированный метод снижения выбросов КОх и сажи, включающий автоматическое управление углом опережения и задержкой в остаточном давлении наиболее эффективен. Этот способ позволяет снизить КОх на 70% и дым-ность на 20% для дизеля с 71к=1.6 без заметного влияния на время переходного процесса судна.

В пятой главе приведены схемы и принцип действия устройства для снижения дымности в маневровых режимах работы дизеля, а также схема системы управления подачей дополнительного воздуха при разгоне / набросе нагрузки. Приведены результаты, полученные при на-

турных испытаниях устройства снижения дымности на т/х «Москва -189» на дизеле ЗД6 (6ЧСП 15/18): суммарная дымность снижается на 40%, а максимальная дымность - в 2 раза.

Создан блок интегральной оценки дымности, работающий совместно с оптическим дымомером, для определения суммарных выбросов сажи в переходных режимах. Устройство может быть рекомендовано для сравнительного анализа эффективности различных средств снижения суммарной дымности дизелей, работающих в переходных режимах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Для снижения выбросов NOx при допустимых выбросах сажи судового пропульсивного дизеля с турбонаддувом (пк = 1.3-1.6) при уменьшении давления наддува и частоты вращения дизеля угол опережения подачи топлива целесообразно уменьшать.

2. Переходные процессы дизелей речных судов, например, при разгоне, торможении или циркуляции, сопровождаются увеличенными выбросами NOx, СО, НС, С02 и дымности, особенно если дизеля этих судов имеют степень наддува свыше 1.5. Выбросы сажи и NOx в переходных режимах увеличиваются в 2 раза при увеличении степени наддува с 1.3 до 1.6.

3. Суммарное количество токсичных выбросов в переходном режиме зависит прежде всего от количества оксидов азота, соотношение которого с выбросами сажи по массе составляет 8:1 для среднеоборотного дизеля с лк = 1.3-1.6.

4. Исследования показали, что главной причиной увеличения выброса сажистых частиц в переходных режимах является попадание части фронта топливной струи на стенку камеры сгорания. Показано, что фактором, отражающим здесь сажевыделение, может являться коэффициент избытка воздуха в топливной струе: S= а„а.

5. При резком набросе нагрузки в переходном режиме перерегулирование концентрации NOx по отношению к установившемуся номинальному режиму достигает 20%. Причина этого явления состоит в запаздывании уменьшения периода задержки самовоспламенения в цилиндре вследствие инерционности турбокомпрессора. Показано, что для моделирования концентрации оксидов азота может быть применена формула фирмы Вяртсиля, отражающая скорость образования концентрации NOx в зависимости от параметров в цилиндре - р, Т и oil при изменении режимов работы дизеля.

6. Для уменьшения влияния этих факторов в переходных режимах могут быть предложены следующие мероприятия:

а) упор, временно ограничивающий ход рейки ТНВД в режиме разгона с целью снижения дымности, который приводит к снижению максимальных выбросов сажи на 20-50% при увеличении выбросов >ЮХ. на 5% при частичном разгоне (для дизеля с = 1.3). С ростом степени наддува (с 1.3 до 1.6) эффективность этого способа уменьшается в связи с ростом на 10-20% N0*. Этот способ может быть рекомендован для снижения выбросов сажи, при условии, что выбросы N0* у дизеля не превышают нормы.

б) подача дополнительного воздуха в цилиндр при частичном разгоне, позволяющая снизить суммарные и удельные выбросы сажи на 45%, максимальные выбросы сажи на 30%, а также снижающая на 10% время разгона. Подача дополнительного воздуха служит эффективным средством для снижения вредных выбросов, особенно в случаях экстренного разгона и торможения.

в) автоматическое управление углом опережения подачи топлива, позволяющее снизить перерегулирование и суммарные выбросы N0,; в переходных режимах дизеля на 60%, при неизменном выбросе сажи.

г) замедление темпов роста остаточного, давления, по расчетным данным позволяющее снизить суммарные выбросы оксидов азота на 1020%, суммарные и удельные выбросы сажи на 30-40%.

7. Снижение выбросов МОх и сажи автоматическим регулированием угла опережения впрыскивания и задержкой роста остаточного давления в топливопроводе при частичном разгоне является эффективным способом, позволяющим снизить суммарные выбросы N0., на 60% (для дизеля с тс, = 1.3) и на 70% (для дизеля с = 1.6), суммарные выбросы сажи на 20% и максимальные выбросы сажи на 50% без заметного влияния на время переходного процесса судна.

8. Выбор способа снижения токсичных выбросов отработавших газов дизеля зависит от степени наддува.

9. Разработанная методика оценки удельных выбросов оксидов азота и сажистых частиц в эксплуатационных режимах по параметрам дизеля с низким и средним наддувом, имеющего объемное смесеобразование, позволяет приближенно установить относительную величину вредных выбросов в переходном режиме по отношению к номинальному режиму и оценить относительное влияние конструктивных параметров элементов системы дизель - турбокомпрессор - винт, а также режи-

мов работы СЭУ на выбросы NOx и сажи. Достоверность методики подтверждена сравнением расчетных и экспериментальных данных.

10. Разработанные и испытанные устройства временного ограничения хода рейки топливных насосов и автоматизированная система управления пуском дополнительного воздуха могут использоваться для.. снижения вредных выбросов судовых дизелей в переходных режимах.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих докладах и работах автора

1. Лыонг Л.В., Толшин В.И., Якунчиков В.В. Оптимизация работы СЭУ портового буксира в условиях волнения моря. // Наука и техника на речном транспорте. -М.: ЦБНТИ, 1994. - Вып. 12. -С.25-29.

2. Разработка средств снижения вредных выбросов ОГ дизелей речных судов.: Отчет о НИР (заключит.) / Моск. гос. академ. водного транспорта; Руководитель В.И. Толшин; №81823452; Инв. № Б122756. -М, 1994. -90с.: ил. - Отв. исполн. В.В. Якунчиков. - Библногр.: с.88-90.

3. Толшин В.И., Якунчиков В.В., Лыонг JI.B., Чуб Т.В. 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.

4. Толшин В.И. Якунчиков В.В. Снижение токсичных выбросов в режиме разгона судового дизеля 6ЧСПН 16.5/22. //Сборник науч. тр. МГАВТ.; Каф. СЗУиА. -1996. -Вьш.18. - С.16-30. .

5. Якунчиков В.В. Летягин H.A. Результаты натурных испытаний устройства для снижения дымности на теплоходе "Москва - 189". // Сборник науч. тр. МГАВТ., Каф. СЭУиА. -1996. -Вьш.18. - С.31-33.

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

7. Толшин В.И., Якунчиков В.В. Уменьшение вредных выбросов ОГ судовых дизелей, работающих в переходных режимах. // П международная транспортная выставка "Транстек-96": Симпозиум. -СПб.: ЛенЭкспо. -1996. -С.50.

8. Якунчиков В.В. Адаптивная вычислительная система автоматического регулирования дизеля с газотурбинным наддувом для землесосного снаряда. Под ред. Толщина В.И. МГАВТ: Сборник науч. тр. -1996. -Вып.) 8. - С.34-39.

9. Толшин В.И. Якунчиков В.В. Снижение токсичных выбросов среднеоборотного судового дизеля в переходных режимах. // Наука н техника на речном транспорте. -М.: ЦБНТИ, 1998. - Вып.1. -С.20-31.

10. Толшин В.И. Якунчиков В.В. Снижение вредных выбросов судового среднеоборотного дизеля в режимах разгона и наброса нагрузки. // Международная научно-техническая конференция «Двигатель-97»: Материалы конференции.; МГТУ.-М., 1997. -С.37. ..