автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Совершенствование процессов получения и сжигания эмульгированного дизельного топлива в высокооборотных дизелях

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ОРДЕНА сЗНАК ПОЧЕТА» НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИИ ДИЗЕЛЬНЫИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ДАНЩИКОВ Владимир Витальевич

УДК 621.436.057.3:62-642

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ И СЖИГАНИЯ ЭМУЛЬГИРОВАННОГО ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В ВЫСОКООБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЯХ

05.04.02 — тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Производственном объединении "Звезда" и Центральном ордена "Знак Почета" научно-исследовательском дизельном институте

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

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Л.В.Тузов кандидат технических наук, старший научный сотрудник Л.А.Новиков

Ведущая организация - Западно-Сибирское ордена "Трудового Красного Знамени" речное пароходство

Защита диссертации состоится п читьЖк 1992 г. в VО часов в конференц-зале института на заседании специализированного совета K-I34.02.0I по присуздешш ученой степени кандидата технических наук при Центральном ордена "Знак Почета" научно-исследовательском дизельном институте по адресу:

196158, г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, д.25, кор.1

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке института

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах, заверенные печатью, по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан " ^ " и*-°НЯ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

к*т«н*| с«н•с•

Б.И.Богданов

к И'";*

Г" * ЛК53 V .ч дел сертаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вопрос охраны а рационального использования земли, годных ресурсов и атмосферного воздуха становятся определяющши в экономическом развитии страны. В условиях возросшей социальной активности населения и заинтересованности всех его слоев в скорейшем решения вопросов экологической безопасности в соответствии с решением директивных органов перед отраслью дизелестроення ставится задача существенного уменьшения гредного воздействия на окружаювдю среду дизельных энергетических установок.

Одним из перспективных и наиболее эффективных средств снижения концентрации всех компонентов вредных выбросов в отработавшие газах (ОГ) является применение водотопливных эмульсий (ВТЭ). Однако, несмотря на накопленный опыт по использованию ВТЭ в дизелях, полученные результаты и практические рекомендации, особенно по эмульсиям дистиллятных топлив, весьма противоречивы. Широкое применение ВТЭ дизельных топлие серьезно одерживается недостаточной изученностью многих аспектов этой проблемы и, как следствие, отсутствием единых, обоснованных представлений о физико-химическом механизме сгорания ВТЭ. Вез это не позволяет выработать обоснованные мероприятия, обеспечивающие эффективное сжигание ВТЭ с широким диапазоном содержания воды, и тем самым повысить эффективные и экологические показатели дизеля.

В связи с этим исследование физико-химических особенностей процессов сгорания ВТЭ, повышение эффективности елияния водной присадки на рабочий процесс дизеля, разработка автоматизированных систем приготовления еодотошшеных эмульсий переменного состава, изучение возможности длительной работы высокооборотных дизелей на эмульгированных дизельных топлиеах по-прекнему остаются весьма актуальными.

Цель работы. Целью данного исследования является улучшение экологических показателей высокооборотных дизелей за счет онишшя Еыхода окислов азота и Ередных продуктов неполного сгорания топлива при одновременном улучшении топливной экономичности.

Задачи исследования. Для достижения поставленной задачи решались следующие основные научно-технические задачи:

• проведение теоретического анализа термодинамического цикла ДВС с целью объяснения факта получения различными исследователями противоречивых результатов-по топливной экономичности при использовании ВТЭ;

теоретическое исследование закономерностей испарения капель

ВТЭ;

экспериментальное исследование эффективности различиях способов подачи воды в камеру сгорания дизеля;

• разработка и экспериментальная проверка мероприятий, обеспечивающих эффективное егшганпе в дизелях ВТЭ с широким диапазоном содеркания воды;

проведение комплекса работ по совершенствованию систем приготовления ВТЭ;

экспериментальное исследование особенностей длительной работы высокооборотных дизелей на ВТЭ дизельного топлива.

Научная новизна. С использованием последних достижений в области кинетики испарения разработана новая физико-математическая модель процессов тепло-массообмена капель чистого топлива и его ВТЭ. Это позволило создать оригинальный современный расчетный метод исследования изучаемого явления (прогреЕ и испарение капли).

В результате выполненного вычислительного эксперимента выявлен ряд новых закономерностей испарения незакрепленных капель чистого топлива в возмущенной газовой среде, установлена принципиальная возмонность возникновения "микровзрывов" капель ВТЭ при высоких давлениях среды.

Теоретически и экспериментально показано, что "микровзрыв" капли ВТЭ не может быть основной причиной улучшения рабочего процесса дизеля.

-Разработаны и исследованы мероприятия по совершенствованию рабочего процесса высокооборотного дизеля при переводе его на ВТЭ, в основе которых - повышение теплосодержания воз,пушного заряда.

Экспериментально показана принципиальная возможность сжигания в дизелях эмульсий с концентрацией воды до 70 %, при котором появляется уникальная возмонность многократного сокращения выбросов окислов азота.

Практическая ценность. Разработанный числешшй метод расчета позволяет провести исследование процессо] нагрева и испарения капель ВТЭ, различных по диаметру и сорту

топлива, о определением времени ее испарения при различных параметрах состояния газовой среды.

Реализация мероприятий, обеспечивающих эффективное сжигание ВТЭ с широким диапазоном содержания воды, позволяет существенно повысить эффективные-и экологические показатели дизеля при его переводе на ВТЭ.

Результаты исследования и разработанные рекомендации по применению еодотоплиеннх эмульсий на основе дистиллятного топлива, совершенствованию рабочего процесса при переводе дизеля на ВТЭ, проектированию и испытаниям автоматизированных систем приготовления ВТЭ переменного состава могут найти практическое применение на предприятиях и в организациях, занимающихся проблемами снижения токсичности ОГ и созданием новых типов малотоксичных еысоко-оборотных дизелей различной мощности.

Реализация результатов работы. Результаты выполненного исследования были использованы в ПО "Звезда" при проведении комплекса работ по переводу дизелей I24HI8/20 на водотопливную эмульсию, в том числе при создании автоматизированных систем приготовления ВТЭ переменного состава, предназначенного для снижения выбросов окислов азота и продуктов неполного сгорания при проведении стендовых испытаний дизелей.

По решению отраслевого научно-технического семинара "Проблемы экологии е дизелестроешш" рекомендовано ПО "Звезда" и ЦЩЩИ оказать методическую и техническую помощь дизелестроительным за-Еодам по внедрению способа и установок питания дизелей ВТЭ на заводских испытательных стендах. Конкретные работы в этом направлении начаты применительно к дизелям.ПО "БМЗ" и ПО "русский дизель".

Апробация работы. Осногные положения и результаты работы долокены и обсувдены на Всесоюзном семинаре "Пути снижения загрязнения воздушного бассейна Еыбросами ДВС" (Москва, ВДНХ ССОР, декабрь 198? г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Адьтернатшшые топлива в двигателях внутреннего сгорания" (Киров, Кировский сельскохозяйственный институт, май, 1968г.), на ХУ1Д Международном конгрессе СНМАК (г.Тяньцин, Китай, июнь IS89 г.), на 1У Международном симпозиуме по судовой технике, КОВЕ'ЭО (Кобе, Япония, октябрь 1990 г.).

П у б л и к а ц и и. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, отдельные разделы диссертации содержатся в отчетах ПО "Звезда" о научно-исследовательских работах, участником которых был автор.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глаЕ, заключения, списка литература и приложения. Работа содержит 116 страниц основного текста, 57 страниц с рисунками, 10 таблиц. Список литературы включает 130 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во в Беден и и показана актуальность выполненной работы, приведена краткая характеристика выполненных исследований, сформулироЕани основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор и анализ современного состояния вопроса по применению водотоплженых эмульсий в дизелях. Особое внимание в обзоре уделено рассмотрению методов и установок для приготовления ВТЭ, а также физико-химического механизма процессов сгорания ВТЭ.

Обзор и анализ.технической литературы показал, что существует достаточно большое количество публикаций и материалов, посвященных применению ВТЭ в дизелях различной мощности и быстроходности. Отмечено, что при переводе дизелей на эмульгированное топливо бесспорным фактом является увеличение периода задержки воспламенения , снижение температуры и дымности ОГ. В отношении других показателей работы двигателя общих закономерностей не наблюдается; встречаются диаметрально противоположные результаты в части изменения экономичности и Еыхода окиси углерода. В основном эй факты имеют место при использовании ВТЭ дизельного топлива, не получившей широкого практического применения в связи с тем, что еод; и дистиллятное топливо не способны образовать устойчивую эмульсию •В настоящее время, в связи с переводом судовых дизелей на тяжелые сорта топлива, исследования по применению ВТЭ ведутся главным образом на среднеоборотных двигателях на эмульсиях тяжелых топлив. И е этом случае у разных исследователей получаются разные

л мг

результаты по оптимальной присадке еоды (V и топливной экономичности. Так, при работе однотипных среднеоборотных дизелей на ВТЭ тяжелых топлив, величина С°,"т у разных исследователей изменяется от 8 до 40 %. При этом в одних исследованиях при обеспечении СГ снижение расхода топлива достигает 5-7 %, а в других только I %, либо вообще отсутствует. Аналогичные различия наблкда

:ся и при работе тихоходных дизелей на ВТЭ тяаелых топлив, где

Сет „ ___^

^ изменяется в интервале от 6 до 21 %.

Указанные несоответствия являются следствием недостаточной зученности механизма сгорания ВТЭ в дизелях и связаны с индиеи-'альнши особенностями двигателей, их разной степенью приспособ-гнности к сжиганию ВТЭ. Многие исследователи считают основной эичиной улучшения сгорания эмульгированных топлив явления "микро-зрива", обнаруженные при проведении исследований В. М. Ивановым и ,В.Канторовичем при атмосферном давлении. В -то ае время, рад ав->ров отрицает наличие- "шшроЕзрыЕов" при давлениях и температу-IX, тлеющих место в камере сгорания дизеля.

Существует предположение о том, что улучшение сгорания эмуль-1рованного топлива происходит за счет увеличения суммарной по-грхности испарения топливного факела ввиду роста количества ка-зль. Другие исследователи указывают на возрастание локальных зна-ший коэффициента избытка Еоздуха, вследствие уменьшения массы зплива в каадой капле и др.

Многие авторы не ограничиваются физическими факторами и подают, что существенную роль играет и химическое влияние воды на эоцесс сгорания топлива в дизеле. Эти предположения основываются 1 результатах исследований по сгоранию водорода, окиси углерода других горючих газов и паров. В ряде работ особая роль отводит-I реакциям газификации углерода, отмечается высокая вероятность ммого взаимодействия продуктов диссоциации вода с молекулами слеводородов и органическими радикалами. Исследования с примене-

.. -13 г\

:юм воды, ооогащопиои изотопом кислорода и показали, что в роцессе окисления углеводородов топлиеэ участвуют 45-57 % атомов ислорода еоды.

Все перечисленные факторы, указывающие на слонность физико-амической природы механизма скигания ВТЭ, могут иметь место в 3 дизелей. Однако какой вклад в процессы смесеобразования и сго-ания топлива вносит каждый из них пока до конца не выяснено.

Обзор и анализ существующих систем приготовления ВТЭ показал, го е основном применяются установки для эмульгирования тяжелых оплив без оперативного изменения содержания еоды в ВТЭ в зависи-ости от режимов работы дизеля. Применительно к высокооборотным азелям практически отсутствуют работы по созданию автоматизиро-анных установок приготовления ВТЭ на основе.дистиллятного топли-а.

По результатам обзора сформулированы основные цели и задачи

исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию особенностей сжигания ВТЭ в дизелях.

ЛроЕеден расчетно-теоретический анализ обобщенного термодинамического цикла четырехтактного турбопоршневого дгигателя. Исследовано влияние характеристики подвода теплоты на термический КПД цикла ( ). Анализ расчетного материала показал, что наиболее резкий подъем кривых /j^ = наблюдается е области'

0< yv<0,5 (рис.1), в термодинамическом цикле ^у - доля теплоты, подведенной к циклу при V= COtisi ). Дальнейшее увеличение Vir сопровождается относительно небольшим, повышением термического КЦЦ, но при этом резко возрастают максимальные давление и температура цикла.

Из материалов расчета следует, что интенсификация процессов сгорания (увеличение V v ) дает заметный экономический эффект лишь для области ^V=Q....0,5 . Это, в частности, объясняет тот факт, что применение ВТЭ дает разные результаты по топливной экономичности. Если у исследуемого дизеля 0,5 , то использование ВТЭ дать заметного сокращения расхода топлива не монет. Наоборот, при растянутом горении (плохое.техническое состояние двигателя, работа на тяжелых сортах топлива) и при сокращении располагаемого для эффективного сгорания топлива времени (высокооборотные дизели) применение ВТЭ эффективно.

Разработана физико-математическая модель тепло-массообмена капли ВТЭ, помещенной в турбулизироЕанную воздушную среду. Предполагается, что е капле ВТЭ диаметром содержится одна пли несколько частиц воды, а безразмерная массовая концентрация влаги в эмульсии раЕна j, . Капля ВТЭ помещена в газовую среду с температурой Ti и давлением Rj . Считается, что газовая среда имеет Еоэмущение, которое характеризуется средним значением пульсацион-ной скорости )/со"2 - 10/и частотойJпульсаций. В начальный момент времени температура в объеме капли одинакова и равна Т2о . При условии Т{ ^¡>1¿о капля получает теплоту от газа, которая частично пойдет на прогреЕ капли ВТЭ, а частично на испарение топлива и воды. Принято допущение = 0 ( t- - радиус капли), т.е. температура жидкости внутри капли Г2 = icfam . Считается также, что температура обоих компонентов ВТЭ одинакова, т.е. где TzmtTsB - температура топлива и. воды.

Зависимость термического КПД от ^ для турбопориневого двигателя со свободным турбокомпрессором

Рис. I

Предполагается такие, что явление "микроЕзрыва" отсутствует, I капля ВТЭ только испаряется. При этом процесс тепло-массообмена истицы эмульсии мокно разделить на три характерных периода. В те-[ение первого происходит нагрев капли ВТЭ и незначительное испаре-[ие топлива с поверхности. Во время второго - подводимая теплота «сходуется на испарение как топлива с поверхности капли, так и юды внутри капли. Образующиеся пары еодц периодически Еыбрасыва->тся из капли без ее существенного повреждения. Этот процесс протает при постоянной температуре Тг=Тги8 • где Тги8 - температу->а насыщения воды при данном Р, , т.е. выполняется условие

^=0 . Продолжается второй период до полного испарения Ела-'и. Третья заключительная фаза - испарение оставшегося топлива с юзрастанием температуры Тг еплоть до равновесной.

С учетом сделанных допущений ставится задача исследования 1акономерностей испарения капель ВТЭ в зависимости от параметров

Pi T, СО* f, £ , ао ' Процесс прогрева едшшчной капли ВТЭ в неограниченной возмущенной среде, когда концентрация паров на бесконечном удалении от поверхности капли равна нулю, описывается уравнениями теплопередачи и баланса массы частицы.

Уравнение теплопередачи

£2 . ; d /„»), Мт r di2 , Mtс . diz .l

~TALir(ahirCpswr+ürC26 ж ' . (I)

Me-

- масса воды в капле;

М* &

Пм - --п—7-г - масса топлива в капле;

I Рг& соответственно плотности топлива и еоды, кг/м ;

- соответственно плотность, динамическая вязкость и коэффициент теплопроводности воздушной среды;

- плотность ВТЭ; Ср2 /С2б - массовые теплоемкости топлива и воды;

АС - разность эпталышй пара и жидкости топлива;

- теплота парообразования еоды;

Миш = Г ^ АОЬг)'>

ур _ Рп .

/\сн/Срс,н '

соответственно'коэффициент теплопроводности, теплоемкость и плотность парогазовой смеси; £>п - коэффициент молекулярной диффузии; М* - масса образующегося водяного пара; Сп - безразмерная массовая концентрация пара топлиЕа

на поверхности капли.

Первый член уравнения (I) определяет собой количество теплоты, идущее на испаренио топлиЕа; второй и третий - на подогрев ¡ответственно топливного и водяного компонентов капли; четвертый - на испарение еоды. Последний член характеризует теплоту, получа-эг/гую каплей от воз,душной среды посредством конвекции. Он учитывает тормозящее влияние оттока пара от капли на теплообмен.

Уравнение баланса массы топлива

В целом определяющая система уравнений состоит аз 17 уравнено! и включает в себя 17 неизвестных, т.е. она замкнута. Дня ре-иения она дополнена условиями однозначности. В начальные условия зошш размер Cta ы температура Тго капли, массовая концентрация эоды е ВТЭ. Граничные условия определяются параметрами воздушной зреды.

Таким образом, имеется задача Коши для системы двух диффе-эенциачьных уравнений. Решение данной задачи осуществлено при полоща метода Рунге-Кутта р модификации Фергюссона 4-го порядка. Зисленное интегрирование произведено с автоматическим выбором шага по заданной точности.

Проведенная Есесторонняя апробация принятой математической додели (с поправкой на давление среды) и разработанного на ее основе численного метода расчета показала возможность их использования для анализа процессов тепло-массообмена взвешенных капель топлива.

На основе разработанного численного метода исследования процессов тепло-массообмена взвешенных капель топлиеэ был проведен .:ассонш вычислительный эксперимент, который включал в себя две зерии расчетов.-Первая серия была посвящена исследованию закономерностей про: рева и испарения капель чистых топлив, вторая - капель ВТЭ.

Материалы перЕой серии расчетов подтвердили ряд уае известных закономерностей испарения топлив, установленных как экспериментально, так и расчетным путем-. Одновременно был получен ряд новых результатов, в частности по влиянию Еозмущения среды на продолжительность испарения капель.

Вторая .серия вычислительного эксперимента посвящена исследованию различных еопросов испарения капель ВТЭ. Здесь правде всего

необходимо было ответить иа вопрос - имеется ли принципиальная возможность возникновения "микровзрывов" капель эмульсии (как это имеет место при атмосферных условиях у ВТЭ некоторых топлив) при высоких давлениях,среды. Эта задача решена посредством сравнешш равновесной температуры, которая монет быть заметно ниже средней температуры кипения топлива, и температуры кипения воды при данном давлении, Констатировано, что при использовании дизельного топлива в камерах'сгорания дизелей имеется принципиальная возможность вскипания капель воды, входящих в состав ВТЭ, и возникновения "микровзрывов".

Показано, что продолжительность испарения капли ВТЭ увеличивается с повышением концентрации воды е эмульсии, так как теплоемкость и теплота испарения воды значительно превосходят по величине эти параметры для топлива. Поэтому для-компенсации дополнительных затрат тепла на испарение воды в составе ВТЭ необходима реализацщ мероприятий, направленных на повышение температуры воздушного заряда в КС.

Большой интерес представляет сравнение времени г£с действительного (зафиксированы экспериментально) существования капли ВТЭ в газовой среде с расчетным временем %и ее испарения. На рис.2 кривая I иллюстрирует такое сопоставление при разных давлениях

Ру . Расчеты и экспериментальный материал соответствовали следующим условиям: ¿у = 600 °С; С0 = 1000 мкм; ±20 = 32 °С; /= со"= О капля ВТЭ моторного топлива. Необходимо отметить, что сущестЕОЕаш капли ВТЭ при всех рассматриваемых давлениях завершалось заключительным "МИКРОЕЗРЫЕОМ".

Из рисунка видно, что при низких давлениях среды С МПа'

время существования капли ВТЭ значительно меньше продолжительное® ее испарения. По мере возрастания Р< эта разница уменьшается и при . Й< с Ша сравниваемые величины становятся одинаков&ми • ( Хе,- Хи ). При дальнейшем росте давления среды имеет место обратная картина, когда £с> Т„ . Кривая 2 на рис.2 представляет зависимость <-7^/0= М; • гДе Ъно - время испарения капли чистого исходного топлива, тлеющей такие ке размеры, как частица ВТЭ. Крн вая 3 показывает зависимость величины ^/Хио от давления среды Здесь 1>ио - время испарения капли чистого топлиез, начальная масса которой равна массе топлива, находящегося в частице ВТЭ.

Полученные зависимости показывают, что эмульгирование топлива еодой влияет на процессы смесеобразования неоднозначно. При малых давлениях среды применение эмульсий является действенным

Сопоставление действительного времени существования капли ВТЭ в газовой среде с расчетными значениями

Рис. 2

средством интенсификации смесеобразования. Наоборот, при высоких значениях Р{ эмульгирование может существенно замедлить этот процесс. Данное исследование является еще одним доказательством • того, что явление "микроЕзрыБа" не может быть осноеной причиной улучшения рабочего процесса дизеля при переводе его на ВТЭ, так как в этих двигателях имеют место высокие значения Р^ .

В дальнейшем этот вывод был подтвержден результатами специального экспериментального исследования с применением прямых и обратных эмульсий на дизеле ИН18/20.

В .третьей главе представлены результаты работ по совершенствованию систем приготовления еодотоплиеных эмульсий , предназначенных для снижения токсичности ОГ при проведении стендовых испытаний дизелей.

Приводятся принципиальные схемы, описание и результаты испытаний опытных образцов системы приготовления ВТЭ постоянного состава и ДЕух вариантов систем приготовления ВТЭ переменного состава, где обеспечивается оперативное регулирование состава эмульсии по заданному алгоритму в зависимости от нагрузки дизеля.

В итоге была разработана, изготовлена и испытана автоматизи-

рованная система приготовления еодотоплиепой эмульсии ВТЭ-400, предназначенная для широкого класса форсированных среднеоборотных а выоокооборотных дизелей модностью от 500 до 1500 кВт, используемых в качестве главных и вспомогательных силовых агрегатов на судах, тепловозах,.дизель-электрических станциях.

Система ВТЭ-400 конструктивно выполнена в виде двух блоков: подготовки ВТЭ и автоматики. Блок автоматики устанавливается на пульте управления дизельным силовым агрегатом. Елок подготовки ВТЭ размещается по еозмонности блике к дизелю. Работа системы осуществляется в автоматическом рекиме, не требующем участия обслуживающего персонала. .

Далее изложены результаты исследований стабильности ВТЭ при применении различных тилое стабилизирующих присадок - эмульгаторов

Четвертая гласа посвящена экспериментальному исследованию (на одноцилиндровом двигателе ГШ18/20) еозмонности повышения эффективности влияния водной присадки на рабочий процесс дизеля.

Исследование эффективности применения различных способов подачи' воды в цилиндр дизеля (е составе ВТЭ, раздельный впрыск топ- . лива и годы в КС и впрыск воды ео всасывающую систему) показало, что при использовании предварительно приготовленной ВТЭ, в отличие, от раздельной подачи компонентов, наблюдается существенный эффект по показателям дымности и токсичности отработавших газов.

_ Что касается улучшения топливной экономичности, то оно имеет место при всех вариантах подачи воды в цилиндр двигателя. Следовательно, при различных способах подачи одинакового количества еоды в КС рабочий процесс дизеля может протекать примерно с одинаковым энергетическим, но разным экологическим эффектом.- С позиций термодинамического анализа такое противоречие представляется неразрешимым,^ объяснение ему следует искать в физико-химических законов мерностях воспламенения и горения.

При впрыске еоды ео всасывающий тракт ее елияшю, как химического реагента, влияющего на процесс горения и состав продуктов неполного сгорания незначительно, а в случае впрыска еоды в КС отсутствует вообще. С другой стороны рабочий процесс с применением ВТЭ. обладает существенными качественными особенностями, е ,значительной мере определяемыми закономерностями химической кинетики. Из этого следует, что ВТЭ является совершенно особым еидом топлива, которое и качественно, и количественно изменяет процессы, характеризующие горение топлива в КС дизеля.

Использование новой разновидности топлива, какой является ГЭ, предполагает изменение условий организации рабочего процесса, шовные проблемы при использовании БТЗ связаны с ухудшением само-зспламеиения топлива в составе ВТЭ. Прежде всего это обусловлено . эполнителышми затратами тепла на испарение еоды. Поэтому меро-эиятия для обеспечения эффективного сжигания ВТЭ должны быть на-эавлены на повышение теплосодержания воздушного заряда. Примени-¡льно к высокооборотным дизеля:л ЧН18/20 к числу таких мероприя- -1й относятся:

повышение степени сжатия е пределах допустимых динамических тепловых нагрузок;

повышение температуры Еоздуха на впуске;

оптимизация угла опережения подачи топлива.

На рис.3 приведены результаты исследований изменения эффектных и экологических показателе!} двигателя I4HI8/20 при различ-IX степенях сжатия от содержания -воды в ВТЭ. Результаты свидетель-:Еуют, что как по экономическим, так и по экологическим показате-[1л для каждой степени сжатия имеет место сЕое оптимальное значе-ie количества воды в ВТЭ. Иначе говоря, приспособляемость дизеля сжиганию ВТЭ с ростом степени сжатия возрастает, что создает ус->еия для использования эмульсий с более высоким содержанием еоды. результате появляется возможность для значительного снижения ювня вредных выбросоЕ С одновременным улучшением топливной эко-шчности. Аналогичные результаты были получены при исследовании сияния температуры воз,душного заряда на эффективность сжигания

:э.

Характер зависимостей ß-{(Cw) и др. указывает на

|роятность дальнейшего улучшения экологических и эффективных подателей при увеличении Cw • Основываясь на этих результатах, wo-принято решение продолжить эксперименты на эмульсиях с содер-шем воды более 50 % е поисках экологического "предела". Для ¡еспечения работы дизеля ГШ18/20 на ВТЭ с концентрациями воды •лее 50 % степень сжатия была увеличена с 13,5 до 16,6 с однонре-шым повышением температуры воздуха на всасывании до предельно ютижимого значения, равного 118 °С. Повышенная цикловая подача оспечивалась двумя секциями топлиеного насоса, работающими син-юнно. Результаты испытаний показали, что принципиально возможно лгание в дизелях эвдльсий с концентрацией воды до 70 %. При этом |нцентращш в ОГ может быть снижена более чем е 10 раз. Этот зультат является уникальным по своей эффективности, особенно с

Зависимость параметров дизеля ГШ 18/20 от количества воды в ВТЭ при различных степенях сжатия

и°с

тах.

МПя

С//оХ1 %

г '/

о 10 20 30 40 50 ^МГ' -°"£=Н; -х--£=13,2; -°--£с«14,6.

Рис. 3

Изменение параметров дизеля 12ЧН18/20 при работе на ВТЭ по винтовой характеристике

Рис. 4

учетом 20-кратного снижения дымности.

В пятой главе приведены результаты длительных стендовых испытаний высокооборотных дизелей 1241118/20 на ВТЭ дизельного топлиез. Для этой цели были использованы система приготовления ВТЭ постоянного состава и автоматизированная система ВТЭ-400, обеспечивающая оперативное изменение содержания води е эмульсии до значения, оптимального для каждого режима работы.

Пригодятся эффективные и экологические показатели дизеля 12ЧН18/20 со штатной регулировкой топливного насоса, когда обеспечивается подача эмульсии с содержанием еоды до 35 %, и с регулировкой насоса на максимально возмогшую цикловую подачу, что позволило проводить испытания на ВТЭ с содержанием еоды до 53 %. Применение Еысококонцентрировакних ВТЭ с содержанием еоды 40*50 % на режимах номинальной и максимальной мощности позволяет уменьшить содержание п ОТ окислов азота в 2 и более раза, окиси углерода -е 2 раза, саки - болео чем в 10 раз при снижении на 3*4 % расхода топлива.

Результаты совместных испытаний дизеля 12ЧН18/20 с автоматизированной системой ВТЭ-400, приведенные на рис.4, подтвердили высокую эффективность и перспективность применения этих систем для улучшения экологических и эффективных показателей Еысокооборотных дизелей.

Проведешые длительные испытания и накопленный опыт исследовательских работ выявили необходимость, независимо от различных конструктивных схем получения и подачи ВТЭ е дизель, применения специальных стабилизирующих присадок для обеспечения длительной работоспособности на эмульсии топливной аппаратуры Еысокооборотных дизелей. Работа дизелей типа ЧН18/20 на ВТЭ без применения эдульгатороЕ приводит к эрозионное разрушению плунжерных пар и распылителей. Вместе с тем испытания не выявили отрицательного влияния ВТЭ на работоспособность деталей цшшндро-поршневой группы (ЦШ?). Износы деталей ДОГ при работе на ВТЭ но превышают значений износов на безводном топливе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

I. Результаты расчетно-аналитического исследования влияния характеристшш подвода теплоты на термический КЦД показывают, что наиболее заметное снижение расхода топлива использование ВТЭ дает

на двигателях с растянутам процессом сгорания (плохое техническое состояние, работа на тяжелых топливах и т.д.).

2. Разработанный численный метод расчета, базирующийся на всесторонне апробированной математической модели, учитывающей основные физические закономерности описываемого ев процесса* позео- • ляет осуществить всесторошиШ анализ процессов тепло-массообмена взвешенных капель топлива и его ВТЗ.

3. Проведенный комплексный вычислительный эксперимент на основе разработанного численного метода расчета подтвердил принципиальную еозмоесность возникновения "микровзрывов" капель ВТЭ при высоких давлениях среды, имеющих место в КС дизелей. Однако явление "микровзрыва" при высоких давлениях среды не могхет быть основной причиной улучшения рабочего процесса дизеля. Данный выеод подтвержден такие результатами испытаний дизеля ГШ18/20 на прямых и обратных эмульсиях.

4. Изучение особенностей процессов сгорания водотопливннх эмульсий в дизеле, проведенное в настоящей работе, показывает, что значительное сипаение вредных выбросов с ОТ при одновременном улучшении топливной экономичности, достигаемое при скигании ВТЭ, обусловлено не столько интенсификацией смесеобразования за счет вторичного дробления топливной фазы и увеличением поверхности испарения капель, сколько закономерностями химической кинетики. Экспериментальные исследования при различных способах подачи воды в камеру сгорания дизеля показали, что водотопливная эмульсия ягляется самостоятельной разновидностью топлива, способной существенно влиять на рабочий процесс, в которой вода играет роль в большей мере химического реагента, чем транспортной балластной фазы.

5. Для эффективного использования ВТЭ необходима реализация мероприятий, направленных на повышение теплосодержания воздушного заряда. Применительно к Еысокооборотным дизелям ЧН18/20, имеющим, как показали исследования, большой резерв в'части улучшения эффективных и экологических показателей, к числу таких мероприятий относятся:

5.1. Оптимизация температурного решила воздуха на Епуске. Из полученных экспериментальных результатов следует, что перевод цизоля на Еысококонцентрированную эмульсию снимает необходимость променуточного охлавдения наддаваемого Еоздуха.

5.2. Повышение степени сжатия в.пределах допустимых динамических и тепловых нагрузок. Максимальное давление сгорания при этом уменьшается посредством выбора оптимального угла опережения

подачи топлива.

5,3. Регулирование состава ВТЭ, подаваемого в камеру огора-ния в зависимости от режима работы дизеля и параметров воздушное заряда,

6. Разработан и изготовлен автоматизированный модуль ВТЭ-401 предназначенный для непрерывного питания дизелей 12ЧН18/20 эмульсией переменного состава в зависимости от рента работы.

Совместные испытания модуля ВТЗ-400 с дизелем 12ЧН18/20 подтвердили его высокую эсШюктиеность, надежность и перспективность в части улучшения экологических показателей дизеля.

7. Проведенные длительные испытания вксокооборотных дизелей 12ЧН18/20 на ВТЭ показали, что

применение эмульсий с содержанием воды 30+50 % позволяет на решшах с мощностью более 50 % от номинальной существенно (на Зт4 %) стоить удельный расход топлива при одновременном улучше-шш экологических показателей до уровня, не тлеющего применительно к ВОД аналогов как в СССР, так и за рубеаом;

имеется возможность дополнительной форсировки дизеля на 10+15 % от номинала при использовании ВТЭ;

при переводе Еысокообороишх дизелей на ВТЭ необходимо применение специальных стабилизирующих присадок. Работа дизеля на н стабилизированных эмульсиях, а такие с применением однокомлонент ного эмульгатора С-5А приводит к эроздонноцу разрушению распылит лей и пдункершх пар;

износи деталей ЦЕП' при работе на ВТЭ не превышают значений износов па безводном топливе.

8. Применение в качестве топлив ВТЭ является наиболее эффек тивным средством снишшя концентрации нормируемых компонентов вредных выбросов при одновременном улучшении топливной экономичности. Как показывает опыт работы на ВТЭ, для использования

сии с концентрацией еоды до 35 % не требуется какой-либо модерш эации дизеля. Наличие. модуля ВТЭ-400 позволяет проводить обкатку и испытания двигателей на заводских стендах с применением водотс лиеных эмульсий. Некоторое усложнение технологии испытаний окупе ется снижением вредных выбросов и уменьшением расхода топлива.

9. В соответствии с комплексным планом 110 "Звезда" по охра! окружающей среды на АШ пятилетку автоматизированные установки не базе модуля ВТЭ-400 внедряются на заводских испытательных стенде

Основные пояснения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Исследование работы дизеля типа ЧН18/20 на еодотоплиеных эмульсиях различных тошшв // Совершенствование технической эксплуатации СЭУ и исследование рабочих процессов в судовых дизелях.» Новосибирск, IS36.- С.40-43 (е соавторстве).

2. Особенности рабочего процесса высокооборотного двигателя при различных способах подачи еоды в камеру сгоранпя // Повышение уровня технической эксплуатации судовых дизелей.- Новосибирск, 1987.- С.31-37 (в соаЕторстЕе).

3. Повышение эффективности использования водотопливных эмульсий в высокооборотных дизелях // Двигателестроение.- 1988, £ 7.- С.19-20 (е соавторстве).

4. Особенности рабочего процесса Еысокооборотного деигателя при различных способах подачи еоды в камеру сгорания // Двигателе-строение,- 1988, Jf; 10.- С.60-61 (в соаЕторстЕо).

о. Анализ обобщенного идеального цикла ДВС // Совершенствование гидромеханического комплекса речннх судоЕ и составов.- Новосибирск, 1988.- C.II0-II6 (в соаЕторстЕе).

6. <Зизино-математическая модель тепло-массообмена капли водо-топлиенои эмульсии с газовой средой // Повышение эффективности судовых энергетических установок.- Новосибирск, 1989.- C.II5-I2I

(е соавторстве).

7. Некоторые закономерности испарения капель дизельного топлива и его ВТЭ // Совершенствование судовых энергетических установок,- Новосибирск, 1990.- С.13-25 (в соавторстве).

8. Влияние давления и температуры газовой среды на процессы тепло-массообмена испаряющихся углеводородов // Совершенствование судовых энергетических установок,- Новосибирск, 1990.- С.25-38 (в соавторстЕе).

9. 0.Д.Gladkov, V.P.Zakrzhevsky, V.V.Danshchikov.B.P.Lyubaasky. Emulsification of light fuel - the way to promote Low toxity

High - speed Diesel engines. - 18 th CIMAC Congress.-1939.-Vol. 2 я P. 1429-1449.

10. V.A.Vungis, V.P.Zakrzhevsky, О.A.Gladkov, V.V.Danshohikov. Utilization of water/fuel emulsiona in high-speed Die3el

engines - prospects and possibilities. - The 4 th Int.Symp. on Marino Engineering, Kobe 90,- Vol.III.- b-8-I r b-8-7.

РГП П0"Звэзда"612-17.(М.92г. .t.I00