автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Уменьшение выбросов оксидов азота серийного судового двигателя путем организации рабочих процессов

V" На правах рукописи

Сеземин Алексей Валерьевич

УМЕНЬШЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА

СЕРИЙНОГО СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 АВГ 2014

Нижний Новгород - 2014

005551896

Работа выполнена на кафедре «Энергетические установки и тепловые двигатели» ФГБОУ ВПО Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева

Научный руководитель: Захаров Лев Анатольевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Матвеев Юрий Иванович

доктор технических наук, профессор (ФБОУ ВПО Волжская государственная академия водного транспорта)

Макаров Александр Романович

кандидат технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО Уфимский государственный

авиационный технический университет

Защита диссертации состоится «25» сентября 2014 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.04 при Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, 24, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО НГТУ им. P.E. Алексеева и на сайте университета по адресу:

http://www.nntu.ru/content/aspirantura-i-doktorantura/dissertacii

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.04

Автореферат разослан «18» августа 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Л.Н. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При существующем уровне развития четырехтактных дизельных двигателей, характеризующимся удельным эффективным расходом топлива от 170 до 230 г/(кВт-ч) и средним эффективным давлением до 3 МПа при одноступенчатом газотурбинном наддуве, дизельные двигатели повышенной оборотности, как показывают теоретические и экспериментальные исследования, будут развиваться по пути дальнейшего улучшения энергетических, экономических и экологических показателей, а также повышения срока службы, снижение шума и вибрации.

В настоящее время вводятся более жесткие ограничения на выбросы оксидов азота (NOx) с отработавшими газами (ОГ), причем решение этой проблемы оказывается особенно трудным. На данный момент снижение выбросов NOx до соответствия требованиям международного стандарта для судовых дизельных двигателей IMO Tier II, удается достигнуть при увеличении удельного эффективного расхода топлива, но такой путь находится в противоречии с не менее актуальной проблемой борьбы за повышение топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания, острота которой постоянно возрастает в связи с приближающейся угрозой исчерпания жидких и газообразных топлив.

Сложность решения вопросов одновременного улучшения экологических показателей и повышения топливной экономичности заключается в многообразии факторов (конструктивных, регулировочных и эксплуатационных), которые влияют на процессы, происходящие внутри цилиндра двигателя, в частности, на процесс сгорания топлива, на динамические нагрузки и, как следствие, на срок службы дизельного двигателя, шум и вибрацию. Поэтому организация рабочих процессов заключает в себе существенные резервы улучшения экономических и экологических показателей дизельных двигателей.

Степень разработанности темы. На протяжении многих лет ведутся научные исследования, направленные на улучшение энергетических, экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания, повышение срока службы, снижение шума и вибрации. В научных трудах таких ученых, как Гриневецкий В.И., Мазинг Е.К. (основы расчета рабочих процессов), Галышев Ю.В., Горбунов H.A., Грехов JI.B., Дьяченко Н.Х., Захаров JI.A., Звонов В.А., Иващенко H.A., Кавтарадзе Р.З., Кулешов A.C., Луканин B.JI., Лы-шевский A.C., Марков В.А., Орлин A.C., Петриченко P.M., Петриченко М.Р., Разлейцев Н.Ф., Фомин В.М., Шатров М.Г. и др., исследованы вопросы расчета и моделирования рабочих процессов, процессов газообмена, топливоподачи и смесеобразования, повышения топливной экономичности и снижения токсичности ОГ двигателей внутреннего сгорания.

Несмотря на большой объем выполненных теоретических и экспериментальных исследований, вопросы уменьшения выбросов NOx с ОГ серийными судовыми дизельными двигателями повышенной оборотности остаются весьма

актуальными.

Целью работы является организация рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности для уменьшения выбросов оксидов азота с отработавшими газами в соответствии с требованиями IMO Tier II и увеличение срока службы.

Для достижения поставленной цели работы решались следующие задачи исследования:

1. Выполнить анализ существующих способов снижения выбросов NOx с ОГ и выбрать метод организации рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя для улучшения экологических показателей.

2. Провести аналитическое исследование рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности для уменьшения выбросов NOx с ОГ в соответствии с требованиями IMO Tier II при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.

3. Разработать методику определения угла наклона топливных струй при изменении угла опережения впрыска топлива.

4. Разработать методику прогнозирования срока службы серийного судового дизельного двигателя при изменении показателей рабочих процессов.

Объект исследований: серийный судовой дизельный двигатель повышенной оборотности 8ЧН 22/28 мощностью 1052 кВт при частоте вращения коленчатого вала 1000 мин"1 производства ОАО «РУМО».

Предметом исследования: процессы, протекающие в камере сгорания серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Аналитически выбран метод организации рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности, обеспечивающий требуемые экологические показатели по выбросам NOx с ОГ при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.

2. Разработана методика и получена математическая зависимость для определения угла наклона топливных струй серийного судового дизельного двигателя при изменении угла опережения впрыска топлива.

3. Разработана методика и получена математическая зависимость для прогнозирования срока службы серийного судового дизельного двигателя при изменении показателей рабочих процессов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Даны рекомендации по организации рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя 8ЧН 22/28 производства ОАО «РУМО» для уменьшения выбросов NOx при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.

2. Организация предложенных рабочих процессов не требует внесения значительных конструктивных изменений и осуществляется путем изменения параметров топливной аппаратуры: угла опережения впрыска топлива и угла наклона топливных струй в объеме камеры сгорания.

3. Результаты исследований могут быть использованы в проектных работах дизелестроительных предприятий и в работе эксплуатирующих организаций по улучшению показателей существующих дизельных двигателей.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Рабочие процессы серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности, обеспечивающие требуемые экологические показатели по выбросам NOx с ОГ при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.

2. Методика определения угла наклона топливных струй при изменении угла опережения впрыска топлива.

3. Методика прогнозирования срока службы серийного судового дизельного двигателя при изменении показателей рабочих процессов.

Методы исследований:

1. Аналитический, основанный на известных математических зависимостях расчета и моделирования рабочих процессов.

2. Расчетно-теоретический, основанный на расчете методом конечных элементов (МКЭ) теплового состояния головки поршня.

3. Экспериментальный, основанный на разработанных методиках сравнительного исследования распространения факела по отпечатку в камере сгорания, следам отложения нагара и сажи на деталях цилиндропоршневой группы дизельного двигателя повышенной оборотности.

Достоверность полученных результатов подтверждена натурными исследованиями рабочих процессов, обеспечена применением апробированных методов исследования рабочих процессов, определения расхода топлива и выбросов NOx с ОГ. Результаты систематизированы с применением математических методов обработки результатов. Полученные результаты согласуются с ранее проведенными экспериментальными исследованиями на испытательном стенде ОАО «РУМО».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Энергетические установки и тепловые двигатели» НГТУ им. P.E. Алексеева; на международной научно-технической конференции «АВТО НН 08. Автомобильный транспорт в XXI веке» (НГТУ им. P.E. Алексеева, 2008 г.); на международной молодежной научно-технической конференции «БУДУЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ НАУКИ» (НГТУ им. P.E. Алексеева, 2009-2013 гг.); на международной научно-технической конференции «Двигатель 2010» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010); на международной студенческой научно-технической конференции по технической термодинамике (ЗФ НГТУ им. P.E. Алексеева, 2010); на XVI Нижегородской сессии молодых ученых (Семенов, 2011).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, из которых 3 - в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы. Основное содержание работы изложено на 145 страницах машинописного текста и включает 47 рисунков и 14 таблиц. Список библиографических источников включает 125 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, определена научная новизна и практическая ценность, приводятся положения, выносимые на защиту, методы исследований и достоверность полученных результатов, апробация работы, структура и объем.

В первой главе проведен анализ состава ОГ дизельных двигателей, который показал, что наиболее опасными компонентами ОГ являются выбросы Ж)х и 50х. Уменьшить выбросы 80х возможно только путем использования малосернистого топлива или очисткой ОГ, в то время как снижение выбросов 1МОк возможно путем организации рабочих процессов.

Международным стандартом, ограничивающим выбросы токсичных веществ с ОГ судовых дизельных двигателей, является Приложение VI к конвенции МАЯРОЬ 73/78 Международной Морской Организации (1МО), которое устанавливает предельно допустимые значения выбросов Ж)х с ОГ, приведенные в таблице 1.

Таблица 1 - Предельно допустимые значения выбросов NOx по IMO

Период действия NOx, г/кВт-ч при номинальной частоте вращения п, мин"1 Испытательная процедура

«<130 130< л < 2000 п > 2000

Tierl (01.01.2000-01.01.2011) 17,0 45 -п^2 9,84 4-ступенчатые циклы Е2, ЕЗ (ISO 8178/4) цикл D2

Tier II * (01.01.2011-01.01.2016) 14,36 44-л^'23 7,66

Tier III (в зонах ЕСА** после 01.01.2016) 3,4 9-п02 1,97

* Требования Tier II остаются в силе после 2016 для плавания в открытом море ** ЕСА - Зона контролируемых выбросов (Emission Control Areas)

Улучшение экологических показателей дизельного двигателя можно реализовать двумя способами — с помощью первичных мероприятий, направленных на организацию рабочих процессов, и вторичных мероприятий, направленных на снижение выбросов NOx с ОГ с помощью внешних устройств: каталитическая очистка ОГ, использование водотопливной эмульсии, увлажнение наддувочного воздуха и рециркуляция отработавших газов.

Опыт мирового двигателестроения показывает, что для создания двигателя, удовлетворяющего требованиям IMO Tier И, необходимо, прежде всего, довести рабочие процессы до параметров рационального удельного эффективного расхода топлива и выбросов NOx с ОГ. После реализации первичных мероприятий, дальнейшее улучшение экологических показателей до требований IMO Tier III следует вести по пути применения вторичных мероприятий.

Направления снижения выбросов ЫОх с ОГ путем организации рабочих процессов дизельного двигателя приведены на рис. 1.

Рис. 1 - Уменьшение выбросов ЫОх с ОГ путем организации рабочих процессов

Уменьшение выбросов ЫОх с ОГ путем уменьшения угла опережения впрыска топлива (УОВТ) напрямую связано с уменьшением максимальной температуры цикла и ухудшением топливной экономичности, при этом уменьшение скорости нарастания давления и максимального давления сгорания приводит к снижению динамических нагрузок и «жесткости» рабочих процессов. Высокие динамические нагрузки приводят к интенсивному износу деталей ци-линдропоршневой группы и нарушению ее герметичности, и, следовательно, к ухудшению экономических и экологических показателей. Поэтому организацию рабочих процессов дизельного двигателя для улучшения экологических показателей следует вести как по направлению снижения выбросов ЫОх с ОГ, так и по направлению повышения срока службы путем уменьшения динамических нагрузок и «жесткости» рабочих процессов.

Во второй главе рассмотрены методы организации рабочих процессов дизельного двигателя и их влияние на экологические показатели.

Образование Ж)х происходит через сложные превращения продуктов реакций топливных радикалов с азотом воздуха в предпламенный и послепламен-ной зонах. Скорость процессов превращения зависит от концентрации азота в объеме цилиндра, скорости сгорания, доли выгоревшего топлива, а также скорости конкурирующих реакций образования продуктов неполного сгорания, в том числе СО и сажевых частиц.

Для образования свободных радикалов азота требуется высокая температура, поэтому до некоторого момента, когда температура сгорания остается достаточно низкой, образование радикалов азота, способных вступать в химические реакции в процессе сгорания топлива, не происходит. С повышением температуры начинают образовываться свободные радикалы азота, которые, вступая в реакцию с кислородом воздуха, образуют оксиды азота в виде N02 и N0, которые и принято обозначать в виде И0Х.

При расчете процесса сгорания в дизельном двигателе рассматривается распространение топливной струи в объеме камеры сгорания по многозонной модели, разработанной профессором Разлейцевым Н.Ф. (рис. 2), где: 1 -уплотненное осевое ядро; 2 - уплотненный передний фронт; 3 - разреженная оболочка; 4 - осевое коническое ядро пристеночного потока (ПП); 5 - уплотненное ядро ПП; 6 — уплотненный передний фронт ПП; 7 Рис- 2 " Расчетная схема струи топлива - разреженная оболочка ПП. в камере сгорания дизельного двигателя

Каждая зона имеет свои условия испарения и горения, причем скорость испарения топлива, поступившего в каждую из названных зон, равна сумме скоростей испарения отдельных капель. Испарение каждой капли до и после воспламенения топлива подчиняется закону Срезневского:

(1)

где с/0 - начальный диаметр капли, м; с1к - текущий диаметр капли, м: К -константа испарения, м2/с; т„ - время от начала испарения данной капли до текущего момента, с; Ьи — относительная константа испарения, с"'.

Относительная константа испарения в каждой из характерных зон мало изменяется на протяжении впрыска топлива, поэтому принимается постоянной для каждой зоны, но различающейся по зонам.

В период топливоподачи и развития топливных струй скорость сгорания лимитируется главным образом скоростью испарения топлива. Наилучшие условия испарения топлива располагаются в разреженной оболочке струи и оболочке пристеночного потока, средние - в ядре пристеночного слоя, и наихудшие - на зеркале цилиндра и на поверхности крышки цилиндра. Топливо, попавшее на поршень, может иметь различные условия испарения в зависимости от температуры зоны головки поршня.

При набегании струи на стенку скорость испарения топлива, скопившегося в переднем фронте, резко снижается до минимума в момент укладки фронта на стенку. Это вызвано более низкой по сравнению с газовым зарядом температурой стенки, уменьшением обдува капель, уплотнением капельно-газовой смеси на стенке, слиянием и перемешиванием авангардных капель с подлетающими к стенке более холодными каплями. После укладки фронта на стенку двухфазная смесь начинает растекаться по стенке за пределы конуса струи. Скорость испарения топлива в пристеночной зоне увеличивается. При растекании по гребню головки поршня часть топлива может проникнуть в надпоршневой зазор, попасть на крышку и зеркало цилиндра.

Таким образом, топливная струя должна быть направлена так, чтобы топливо, подаваемое в камеру сгорания, как можно меньше попадало на «холодные» стенки и располагалось в зоне с более высокой температурой поверхности головки поршня. Для определения места соприкосновения топливных струй с поверхностью головки поршня необходимо рассчитать его тепловое состояние.

т

По окончании периода задержки воспламенения происходит взрывное распространение пламени по активированной смеси в оболочке струи. Период задержки воспламенения представляет собой подготовительную фазу к процессу сгорания в цилиндре двигателя с воспламенением от сжатия и зависит от температуры и давления в момент начала впрыска, закона впрыска топлива, условий смесеобразования и качества топлива.

Области образования N0*, сажи и несгоревших углеводородов показаны на рис. 3. Концентрация топлива в оболочке струи влияет на процесс образования 1ЧОх, а концентрация топлива в ядре струи влияет на процесс образования сажи, связанный с процессом пиролиза топлива - его разложением под действием высокой температуры в среде с недостатком кислорода. Интенсивное образование сажи происходит в ядре топливной струи, что сопровождается осаждением нагара на поверхностях камеры

сгорания и способствует повышению Рис- 3 " Области образования НОх, дымности ОГ дизельного двигателя. сажи и несгоревших углеводородов

Несгоревшая в цилиндре дизельного двигателя сажа представляет собой механический недожог топлива и входит в понятие неполноты сгорания. Основная масса сажи выгорает несвоевременно на линии расширения, в результате чего индикаторный КПД уменьшается и возрастает температура ОГ.

На процесс сгорания и период задержки воспламенения большое влияние оказывает момент впрыска топлива (рис. 4). При большом значении 03 (линия 3), топливо начинает поступать в

Р. МПа

15 г

вмт

12

О

1 / 1 ч 3 2

у\ / 1

¡¡1 \

/| е. 4 N V л\ \ \

-40 -20 0 20 40 ф."пкв Рис. 4 — Изменение р, в зависимости от УОВТ

камеру сгорания, когда давление и температура рабочего тела в ней относительно невелики, поэтому период задержки воспламенения увеличивается, и большая порция топлива подается в камеру сгорания до прихода поршня в ВМТ. При этом процесс сгорания начинается слишком рано, создается большое противодавление ходу поршня к ВМТ, скорость нарастания давления и максимальное давление сгорания оказываются чрезмерно большими, двигатель перегружается силами давления газов и перегревается, а его энергетические и экономические показатели не достигают оптимальных значений.

Снижение «жесткости» рабочих процессов можно достичь путем частичного переноса процесса сгорания на линию расширения. С уменьшением УОВТ пик максимального давления сгорания может быть не только уменьшен по значению, но и смещен в сторону линии расширения индикаторной диаграммы.

Заниженное значение 01 (линия 1) приводит к тому, что значительная часть цикловой подачи топлива поступает в камеру сгорания после ВМТ, поэтому процесс сгорания происходит, в основном, на такте расширения. В результате этого уменьшаются среднее эффективное давление и эффективный КПД, падают максимальное давление сгорания и мощность двигателя, растет удельный эффективный расход топлива, хотя период задержки воспламенения сокращается. При значении 02 (линия 2) получается приемлемая скорость нарастания давления и максимальное давление сгорания, оптимальная температура рабочих процессов для получения наивыгоднейших энергетических и экономических показателей.

В третьей главе разработана блок-схема оптимизации рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя для уменьшения выбросов N0, с ОГ при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя (рис. 5).

Рис. 5 - Блок-схема оптимизации рабочих процессов дизельного двигателя

Приближение УОВТ к ВМТ при сохранении энергетических показателей создает следующие преимущества в работе дизельного двигателя:

• снижение максимальной температуры цикла, что ведет к уменьшению выбросов >ТОХ с ОГ;

• снижение скорости нарастания давления и максимального давления сгорания, что уменьшает «жесткость» рабочих процессов и динамические нагрузки, способствующих повышению срока службы, снижению шума и вибрации.

Эти преимущества приводят к ухудшению экономических показателей рабочих процессов, поэтому для повышения топливной экономичности выбраны следующие направления:

• исследование рабочих процессов по геометрической степени сжатия;

• исследование рабочих процессов по углу наклона топливных струй.

Первый способ наиболее приемлем при проектировании новых двигателей, а второй способ - при организации рабочих процессов серийных судовых дизельных двигателей, и поэтому является предпочтительным.

Определение угла наклона топливных струй при изменении УОВТ выполнено с учетом перемещения поршня в цилиндре двигателя. При базовом значении УОВТ топливная струя распространяется по оси 1 (рис. 6) и соприкасается с головкой поршня, когда он находится в положении /гвпр. При уменьшении УОВТ поршень переместится на величину Л/г и топливная струя продолжит распространяться по оси 2 и выйдет за пределы зоны г с повышенной температурой и наилучшими условиями испарения. Поэтому для улучшения экономических показателей угол наклона топливных струй необходимо изменить и направить по оси 3 в зону с наилучшими условиями испарения.

В результате получена математическая зависимость для определения угла наклона топливных струй, учитывающая изменение значений угла опережения и продолжительность впрыска топлива:

а = ап^-

Кс-К+к

где г - рациональная зона соприкосновения струй, мм; Икс - высота камеры сгорания при нахождении поршня в ВМТ, мм; Ир - выступание точки начала струи от днища крышки, мм; Ф„„;, — продолжительность впрыска топлива, °ПКВ; 0 - угол опережения впрыска топлива, °ПКВ до ВМТ; А. - постоянная механизма; Я - радиус кривошипа, м.

Рис. 6 - Расчетная модель для определения угла наклона топливной струи

(1 - С08(фв„р - в))+ ^ (1 - со* 2(фв„р - 6))

(2)

Приближение УОВТ к ВМТ приводит к уменьшению скорости нарастания давления и максимального давления сгорания, что напрямую связано с механической и тепловой напряженностью.

В качестве обобщенного показателя напряженности или форсирования дизельного двигателя принимается удельная поршневая мощность:

= (3)

г/7 4

где N. - эффективная мощность двигателя, кВт; / - количество цилиндров; F - поперечная площадь цилиндра, м2; ре - среднее эффективное давление, МПа; с,„ - средняя скорость поршня, м/с.

В формуле (3) среднее эффективное давление характеризует нагружен-ность двигателя по рабочим процессам, а средняя скорость поршня - по скоростному режиму, поэтому произведение этих величин можно определить как фактор статической нагруженности потому, что оно не учитывает значение скорости нарастания давления или максимальное давление сгорания:

ф„ = РеСт (4)

При определении срока службы дизельного двигателя определяющим фактором является динамическая нагруженность:

к-=Те V

При этом более высокое значение Кт соответствует большей динамической нагруженности двигателя и согласно рекомендациям справочной литературы должно составлять 6,2...6,5.

С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя Кт принимает большие значения, что связано с уменьшением времени, отведенным на процесс сгорания, и сгорание топлива происходит более «жестко» с большим значением рг. Кроме того, в двигателях повышенной оборотности УОВТ может иметь большее значение, чем в среднеоборотных или малооборотных дизельных двигателях из-за относительно малого времени, отведенного на процесс сгорания, а, следовательно, и процесс сгорания будет сопровождаться большими газовыми силами.

С учетом выражения (5) формулу фактора нагруженности (4) представим в виде, учитывающим значение максимального давления сгорания:

Ф п=~Р,сп, (6)

дн

Выражение (6) показывает зависимость фактора нагруженности от значения максимального давления сгорания, что позволяет сравнивать срок службы дизельного двигателя с базовым и разработанным рабочими процессами.

По результатам обработки справочных данных четырехтактных дизельных двигателей, находящихся в эксплуатации, построены графики зависимости срока службы до капитального ремонта от фактора нагруженности Фн (рис. 7).

Разделение по уровню форсирования связано с тем, что в зависимости от значения ре срок службы до капитального ремонта дизельного двигателя может значительно отличаться. Более высокий срок службы современных дизельных двигателей связан с применением современных материалов и технологий.

В соответствии с приведенным графиком наблюдается однозначная тенденция увеличения срока службы дизельного двигателя при уменьшении фактора нагруженности.

Для прогнозирования срока службы до капитального ремонта дизельного двигателя в зависимости от фактора нагруженности в качестве аппроксимирующей функции выбрана линейная и в результате получены три зависимости:

• ЯК1, =-7Фн +86,5 для ре < 1,2 МПа

• Ккр=-7Фн +146,5 для 1,2 < ре< 1,8 МПа (7)

• Яч)=-7ФН+185,5 для ре >1,8 МПа

Для любого уровня форсирования по среднему эффективному давлению получим изменение срока службы до капитального ремонта дизельного двигателя (тыс. ч) при изменении фактора нагруженности:

ЛЛкр = 7(Ф„2 - Ф,„) = ~ Рл) (8)

Максимальное давление сгорания при этом можно определить по формуле, учитывающей скорость нарастания давления:

Л=Л+(%> (9)

где с!р /гЛр - скорость нарастания давления, МПа/°ПКВ; р, - давление сжатия, МПа; <р - продолжительность нарастания давления от рс до р..

С учетом выражения (9) изменение срока службы дизельного двигателя (8) при изменении скорости нарастания давления можно определить:

ДД =

Ч>

Ф/

Ф/

(10)

В формуле (10) значение рг соответствует максимальному давлению сгорания базового дизельного двигателя.

В четвертой главе представлены результаты моделирования и исследования рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя 8ЧН 22/28 в программном комплексе ДИЗЕЛЬ-РК (МГТУ им. Н.Э. Баумана). Настройка математической модели проста

5 4

водилась по экспериментальным данным, полученным на испытательном стенде ОАО «РУМО».

Моделирование и исследование рабочих процессов дизельного двигателя 8ЧН 22/28 по УОВТ (рис. 8) при сохранении энергетических показателей показало, что уменьшение УОВТ с 18° до 12°ПКВ до ВМТ позволяет получить:

• Уменьшение содержания оксидов азота в ОГ на 3,4 г/(кВт-ч) (28%) за счет снижения максимальной температуры цикла на 5% (89°С);

• Уменьшение максимальной скорости нарастания давления на 24% за счет сокращения периода задержки воспламенения на 18% и увеличения продолжительности сгорания на 8%;

ПКВ

с1]> МПа <1ф" 'ПКВ 0,5

18 0. 'ПКВ до ВМТ Рис. 8 - Результаты моделирования рабочих процессов дизельного двигателя 8ЧН 22/28 по УОВТ

• Уменьшение максимального давления сгорания на 12,5% за счет снижения максимальной скорости нарастания давления на 24%;

• Увеличение удельного эффективного расхода топлива на 2% (5 г/(кВт-ч)) за счет снижения максимальной температуры цикла на 5% и увеличения доли топлива, попадающего на зеркало цилиндра в 3 раза.

Для повышения топливной экономичности исследовалось увеличение геометрической степени сжатия (рис. 9), которое показало, что увеличение геометрической степени сжатия с 13 до 14,5 позволяет сохранить энергетические и экономические показатели на уровне базового дизельного двигателя и получить требуемые экологические показатели по выбросам оксидов азота с ОГ.

Рис. 9 - Результаты исследования рабочих процессов дизельного двигателя 8ЧН 22/28 по УОВТ (0) и геометрической степени сжатия (е)

Другим способом повышения топливной экономичности является снижение доли топлива, попадающего на зеркало цилиндра с наихудшими условиями испарения и изменение угла наклона топливных струй таким образом, чтобы

топливная струя соприкасалась с поверхностью камеры сгорания в наиболее нагретой части головки поршня. Для определения наиболее нагретой части поверхности головки поршня двигателя ЧН 22/28 на режиме номинальной мощности методом конечных элементов смоделировано его тепловое состояние (рис. 10) и определена наивыгоднейшая зона смесеобразования в пределах (0,38...0,4) Б.

15

Рис. 10 — Результаты расчета распределения

температур на головке поршня двигателя ЧН 22/28 на режиме номинальной мощности

Проведенное исследование рабочих процессов по углу наклона топливных струй (рис. 11) показало, что при уменьшении УОВТ с 18 до 12°ПКВ до ВМТ изменение угла наклона топливных струй по полученной математической зависимости (2) с 15° до 12,5° позволяет направить топливную струю в наиболее нагретую зону поверхности головки поршня и снизить долю топлива, попадающего на зеркало цилиндра в 2,4 раза, в результате чего удельный эффективный расход топлива уменьшается на 2 г/(кВт ч).

а) УОВТ=18°, а=75° б) УОВТ=12°, а=75° в) УОВТ=12°, а=72,5°

Рис. 11 - Результаты исследования процессов смесеобразования при различных УОВТ и углах наклона топливных струй

Результаты исследования рабочих процессов по УОВТ и углу наклона топливных струй показывают, что:

• базовый вариант (рис. 11 а) характеризуется удовлетворительными условиями испарения и увеличенными выбросами >ЮХ с ОГ.

• при уменьшении УОВТ и сохранении базового варианта угла наклона топливных струй (рис. 11 б) происходит увеличение доли топлива, попадающего на зеркало цилиндра и уменьшении доли топлива в разреженной оболочке струи, что приводит к ухудшению условий испарения и сгорания топлива.

• при уменьшении УОВТ и угла наклона топливных струй (рис. 11 в) условия испарения и сгорания топлива улучшаются в связи с возрастанием доли топлива в разреженной оболочке и уменьшением на зеркале цилиндра, в результате чего повышаются экономические показатели рабочих процессов.

Из рассмотренных вариантов наиболее предпочтительным с точки зрения экологических и экономических показателей является вариант с УОВТ=12° ПКВ до ВМТ и углом наклона топливных струй 72,5°.

Рис. 12 - Состояние деталей цилиндропоршневой группы двигателя 8ЧН 22/28 с базовым (а) и разработанным (б) рабочими процессами

Таблица 2 - Результаты экспериментальных исследований

Показатель рабочих процессов Базовый Разработан.

Эффективная мощность, кВт 1052 1052

Среднее эффективное давление, МПа 1,48 1,48

Эффективный КПД 0,401 0,396

Удельный эффект, расход топлива, г/(кВт-ч) 210 213

Максимальное давление сгорания, МПа 13,9 12,1

Максимальная скорость нарастания давления (расчетная), МПа/°ПКВ 0,46 0,35

Макс, температура цикла (расчетная), К 1691 1608

УОВТ, °ПКВ до ВМТ 18 12

Выбросы >ТОХ, г/(кВтч) 12 8,5

Уровень шума, дБА 98 91

Срок службы (прогноз), тыс. ч 50 62,5

Для подтверждения результатов моделирования рабочих процессов по УОВТ и углу наклона топливных струй проведены экспериментальные исследования на испытательном стенде ОАО «РУМО» (таблица 2 и рис. 12). Испытательный стенд оборудован: системами впуска и выпуска, топливной, смазки и охлаждения, обеспечивающие работу двигателя; устройством для нагружения двигателя; приборами для замера расходов топлива и воздуха; прибором для замера максимального давления в цилиндре двигателя и газоаналитической системой ГАСЕТ-ЕТ-01 для замера выбросов оксидов азота с ОГ.

а) б) ¡яияшн

Результаты моделирования базового и разработанного рабочих процессов дизельного двигателя подтверждаются экспериментальными исследованиями и состоянием цилиндропоршневой группы с четко выраженными границами распространения факелов и отложениями нагара.

Таким образом, применение разработанного рабочего процесса позволяет снизить выбросы NOx с ОГ до требований IMO Tier II и в соответствии с разработанной методикой и полученной математической зависимостью (10) прогнозируется увеличение срока службы до капитального ремонта дизельного двигателя на 25% (12,5 тыс. часов).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Среди существующих способов уменьшения выбросов оксидов азота с отработавшими газами дизельных двигателей выделяют:

• первичные мероприятия, направленные на организацию рабочих процессов и позволяющие обеспечить экономические и экологические показатели, соответствующие международным стандартам;

• вторичные, направленные на снижение выбросов токсичных веществ с ОГ с помощью внешних устройств, которые требуют дополнительных капиталовложений.

2. Аналитически установлено, что приближение момента впрыска топлива к ВМТ при сохранении энергетических показателей позволяет довести экологические показатели по выбросам оксидов азота с ОГ до требований IMO Tier II путем снижения максимальной температуры цикла, но при увеличении удельного эффективного расхода топлива.

3. Уменьшение удельного эффективного расхода топлива при заданных условиях можно получить увеличением геометрической степени сжатия с 13 до 14,5, что позволяет сохранить энергетические и экономические показатели на уровне базового двигателя и получить требуемые экологические показатели по выбросам оксидов азота с ОГ.

4. Уменьшение удельного эффективного расхода топлива при заданных условиях возможно без внесения значительных конструктивных изменений путем изменения угла наклона топливных струй по полученной математической зависимости, обеспечивающей соприкосновение топливной струи в зоне максимальной температуры головки поршня в пределах (0,38...0,4)-D для двигателей повышенной оборотности и минимизирует долю топлива, попадающего в зоны с наихудшими условиями испарения.

5. Разработанный рабочий процесс позволяет получить экологические показатели по выбросам оксидов азота с ОГ в соответствии с требованиями IMO Tier II при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя, при этом уменьшение максимальной скорости нарастания давления на 24% и максимального давления сгорания на 12,5% приводят в соответствии с разработанной методикой прогнозирования и полученной математической зависимостью к увеличению срока службы двигателя на 25%, а уровень шума снижается на 7 дБА.

6. Картина отложений сажи и нагара на поверхностях деталей камеры сгорания дизельного двигателя с разработанными рабочими процессами, полученная экспериментально, подтверждает результаты моделирования по снижению доли топлива, попадающего в зоны с наихудшими условиями испарения.

7. Результаты проведенных исследований используются при разработке новых, модернизации серийных и находящихся в эксплуатации судовых дизельных двигателей производства ОАО «РУМО» и в учебном процессе на кафедре «Энергетические установки и тепловые двигатели» в курсах «Теория рабочих процессов поршневых ДВС» и «Топливная аппаратура поршневых ДВС» при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Энергомашиностроение».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Сеземин, A.B. Повышение топливной экономичности дизельного двигателя за счет снижения механических потерь / Л.А. Захаров, И.Л. Захаров, A.B. Сеземин // Журнал автомобильных инженеров. - 2011. - №3. - С.41-43.

2. Сеземин, A.B. Метод управления процессом сгорания быстроходного дизельного двигателя и анализ результатов расчетно-экспериментальных исследований снижения тепловых нагрузок / Л.А. Захаров, A.B. Сеземин, А.Н. Тарасов [и др.] // Журнал автомобильных инженеров. - 2013. - №4. - С.24-27.

3. Сеземин, A.B. Совершенствование рабочего процесса газового двигателя с форкамерно-факельным зажиганием / А.К. Лимонов, A.B. Сеземин // Двигате-лестроение. - 2013. - №1. - С.20-23.

Статьи в сборниках научных трудов:

4. Сеземин, A.B. Методика оценки механических потерь дизельного двигателя при выборе органов выпуска подсистемы газообмена / Л.А. Захаров, A.B. Сеземин, И.Л. Захаров, А.К. Лимонов // «Двигатель 2010». Материалы Международной научно-технической конференции. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010, С.251-255.

5. Сеземин, A.B. Новые тенденции в конструировании рядных дизельных двигателей с рабочим объемом цилиндра 10,64 л / А.К. Лимонов, Л.А. Захаров, В.Л. Химич, И.Л. Захаров, A.B. Сеземин // Труды НГТУ им. P.E. Алексеева. -Нижний Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева. - 2011 (86). - №1. - С.169-173.

6. Сеземин, A.B. Методика обеспечения экологической безопасности поршневого двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия завода ОАО «РУМО» 8ЧН 22/28 / Л.А. Захаров, A.B. Сеземин, И.Л. Захаров [и др.] // Труды НГТУ им. P.E. Алексеева. - Нижний Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева. - 2014. - №2 (104). - С. 140-147.

Подписано к печати 21.07.2014. Формат 60 х 84'/i6. Бумага офсетная. Печать цифровая. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 500.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева. Типография НГТУ им. P.E. Алексеева. 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева

' На правах рукописи

04201460795

Сеземин Алексей Валерьевич

УМЕНЬШЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА

СЕРИЙНОГО СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Захаров Лев Анатольевич

Нижний Новгород - 2014

Содержание

Введение..................................................................................................................4

1. Проблемы уменьшения выбросов оксидов азота

дизельными двигателями................................................................................9

1.1. Состав отработавших газов дизельных двигателей................................10

1.2. Нормирование токсичности отработавших газов

судовых дизельных двигателей и способы ее снижения........................21

1.3. Уменьшение выбросов оксидов азота путем организации

рабочих процессов......................................................................................31

1.4. Повышение технического состояния дизельного двигателя

путем организации рабочих процессов.....................................................36

1.5. Выводы по главе 1, постановка целей и задач исследования................40

2. Влияние организации рабочих процессов на выбросы оксидов азота дизельного двигателя повышенной оборотности.....................................43

2.1. Механизм образования вредных и токсичных веществ

в процессе сгорания топлива......................................................................44

2.2. Влияние угла опережения впрыска топлива на экологические и экономические показатели дизельного двигателя...................................54

2.3. Влияние угла наклона топливных струй на

экономические показатели дизельного двигателя...................................58

2.4. Влияние показателей рабочих процессов на срок службы дизельного двигателя..................................................................................62

2.5. Выводы по главе 2......................................................................................64

3. Оптимизация рабочих процессов дизельного двигателя

для уменьшения выбросов оксидов азота..................................................65

3.1. Блок-схема оптимизации рабочих процессов дизельного двигателя... 65

3.2. Оптимизация рабочих процессов по углу опережения

впрыска топлива и геометрической степени сжатия...............................68

3.3. Оценка качества организации рабочих процессов по распределению топлива в струе.................................................................77

3.4. Методика определения угла наклона топливных струй для улучшения экономических показателей...................................................84

3.5. Методика прогнозирования срока службы дизельного двигателя.......87

3.6. Выводы по главе 3......................................................................................95

4. Моделирование и исследование рабочих процессов

дизельного двигателя повышенной оборотности.....................................97

4.1. Анализ показателей рабочих процессов базового двигателя................97

4.2. Результаты моделирования и исследования рабочих процессов

по углу опережения впрыска топлива.....................................................101

4.3. Результаты моделирования и исследования рабочих процессов

по углу наклона топливных струй...........................................................108.

4.4. Прогнозирование срока службы дизельного двигателя с разработанными рабочими процессами..................................................116

4.5. Результаты экспериментальных исследований

рабочих процессов дизельного двигателя..............................................119

4.6. Разработка инженерного решения по модернизации конструкции базового дизельного двигателя................................................................128

4.7. Выводы по главе 4....................................................................................131

Заключение.........................................................................................................132

Библиографический список............................................................................134

Приложение А. Результаты испытаний...........................................................146

Приложение Б. Справки о внедрении результатов исследований................148

Введение

Актуальность работы. При существующем уровне развития четырехтактных дизельных двигателей, характеризующимся удельным эффективным расходом топлива от 170 до 230 г/(кВт-ч) и средним эффективным давлением до 3 МПа при одноступенчатом газотурбинном наддуве, дизельные двигатели повышенной оборотности, как показывают теоретические и экспериментальные исследования, будут развиваться по пути дальнейшего улучшения энергетических, экономических и экологических показателей, а также повышения срока службы, снижение шума и вибрации [124].

Суммарная установленная мощность, находящихся в эксплуатации транспортных и стационарных двигателей, составляет примерно 1400 млн. кВт, что в 5,5 раз превышает установленные мощности всех ТЭЦ. Двигатели потребляют более 80% жидкого нефтяного топлива, которого по официальным статистическим данным производится в России более 70 млн. т (около 27 млн. т бензинов и авиационного керосина, 48 млн. т дизельного и моторного топлива), а также 0,9 млн. т смазочного масла. В результате сжигания этого количества топлива в атмосферу выбрасывается более 10 млн. т вредных и токсичных веществ [85]. На двигатели судового, тепловозного и промышленного применения приходится около 11% глобальных выбросов. При этом загрязнение воздуха выбросами автомобилей доминирует в городах (по разным оценкам от 80 до 90%), в то время как вблизи портов, крупных железнодорожных узлов, в промышленных зонах подобный локальный уровень загрязнения создается выбросами двигателей судового, тепловозного и промышленного назначения [82, 83].

В настоящее время вводятся более жесткие ограничения на выбросы оксидов азота (NOx) с отработавшими газами (ОГ), причем решение этой проблемы оказывается особенно трудным. На данный момент снижение выбросов NOx до соответствия требованиям международного стандарта для судовых дизельных двигателей IMO Tier II, удается достигнуть при увеличении

удельного эффективного расхода топлива, но такой путь находится в противоречии с не менее актуальной проблемой борьбы за повышение топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания, острота которой постоянно возрастает в связи с приближающейся угрозой исчерпания жидких и газообразных топлив.

Сложность решения вопросов одновременного улучшения экологических показателей и повышения топливной экономичности заключается в многообразии факторов (конструктивных, регулировочных и эксплуатационных), которые влияют на процессы, происходящие внутри цилиндра двигателя, в частности, на процесс сгорания топлива, на динамические нагрузки и, как следствие, на срок службы дизельного двигателя, шум и вибрацию. Поэтому организация рабочих процессов заключает в себе существенные резервы улучшения экономических и экологических показателей дизельных двигателей [25, 31, 52].

Степень разработанности темы. На протяжении многих лет ведутся научные исследования, направленные на улучшение энергетических, экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания, повышение срока службы, снижение шума и вибрации. В научных трудах таких ученых, как Гриневецкий В.И., Мазинг Е.К. (основы расчета рабочих процессов), Галышев Ю.В., Горбунов H.A., Грехов JI.B., Дьяченко Н.Х., Захаров J1.A., Звонов В.А., Иващенко H.A., Кавтарадзе P.3., Кулешов A.C., Лу-канин В.Л., Лышевский A.C., Марков В.А., Орлин A.C., Петриченко P.M., Петриченко М.Р., Разлейцев Н.Ф., Фомин В.М., Шатров М.Г. и др., исследованы вопросы расчета и моделирования рабочих процессов, процессов газообмена, топливоподачи и смесеобразования, повышения топливной экономичности и снижения токсичности ОГ двигателей внутреннего сгорания.

Несмотря на большой объем выполненных теоретических и экспериментальных исследований, вопросы уменьшения выбросов NOx с ОГ серийными судовыми дизельными двигателями повышенной оборотности остаются весьма актуальными.

Целью работы является организация рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности для уменьшения выбросов оксидов азота с отработавшими газами в соответствии с требованиями IMO Tier II и увеличение срока службы.

Для достижения поставленной цели работы решались следующие задачи исследования:

1. Выполнить анализ существующих способов снижения выбросов NOx с ОГ и выбрать метод организации рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя для улучшения экологических показателей.

2. Провести аналитическое исследование рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности для уменьшения выбросов NOx с ОГ в соответствии с требованиями IMO Tier II при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.

3. Разработать методику определения угла наклона топливных струй при изменении угла опережения впрыска топлива.

4. Разработать методику прогнозирования срока службы серийного судового дизельного двигателя при изменении показателей рабочих процессов.

Объект исследований: серийный судовой дизельный двигатель повышенной оборотности 8ЧН 22/28 мощностью 1052 кВт при частоте вращения коленчатого вала 1000 мин"1 производства ОАО «РУМО».

Предмет исследования: процессы, протекающие в камере сгорания серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Аналитически выбран метод организации рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности, обеспечивающий требуемые экологические показатели по выбросам NOx с ОГ при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.

2. Разработана методика и получена математическая зависимость для определения угла наклона топливных струй серийного судового дизельного двигателя при изменении угла опережения впрыска топлива.

3. Разработана методика и получена математическая зависимость для прогнозирования срока службы серийного судового дизельного двигателя при изменении показателей рабочих процессов. Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Даны рекомендации по организации рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя 8ЧН 22/28 производства ОАО «РУМО» для уменьшения выбросов Ж)х при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.

2. Организация предложенных рабочих процессов не требует внесения значительных конструктивных изменений и осуществляется путем изменения параметров топливной аппаратуры: угла опережения впрыска топлива и угла наклона топливных струй в объеме камеры сгорания.

3. Результаты исследований могут быть использованы в проектных работах дизелестроительных предприятий и в работе эксплуатирующих организаций по улучшению показателей существующих дизельных двигателей.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Рабочие процессы серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности, обеспечивающие требуемые экологические показатели по выбросам 1чЮх с ОГ при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.

2. Методика определения угла наклона топливных струй при изменении угла опережения впрыска топлива.

3. Методика прогнозирования срока службы серийного судового дизельного двигателя при изменении показателей рабочих процессов.

Методы исследований:

1. Аналитический, основанный на известных математических зависимостях расчета и моделирования рабочих процессов.

2. Расчетно-теоретический, основанный на расчете методом конечных элементов (МКЭ) теплового состояния головки поршня.

3. Экспериментальный, основанный на разработанных методиках сравнительного исследования распространения факела по отпечатку в камере сгорания, следам отложения нагара и сажи на деталях цилиндропорш-невой группы дизельного двигателя повышенной оборотности. Достоверность полученных результатов подтверждена натурными

исследованиями рабочих процессов, обеспечена применением апробированных методов исследования рабочих процессов, определения расхода топлива и выбросов оксидов азота с ОГ. Результаты систематизированы с применением математических методов обработки результатов. Полученные результаты согласуются с ранее проведенными экспериментальными исследованиями на испытательном стенде ОАО «РУМО».

Публикации по теме диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, из которых 3 - в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы. Основное содержание работы изложено на 145 страницах машинописного текста и включает 47 рисунков и 14 таблиц. Список библиографических источников включает 125 наименований.

1. Проблемы уменьшения выбросов оксидов азота дизельными двигателями

В современном мире отчетливо просматривается тенденция к ужесточению национальных ограничений по загрязнениям с судов в морских и речных акваториях, к принятию мер, стимулирующих внедрение природоохранных технологий.

Это обусловлено ростом негативного влияния судов на акваторию и прилегающие береговые зоны. Если принять за 100% весь экологический ущерб, наносимый эксплуатацией транспортных судов, то ущерб от загрязнения морской среды и биосферы вредными и токсичными веществами составляет 40%, вибрации и шума оборудования и корпуса судна - 22%, коррозии оборудования и корпуса - 18%, ненадежностью двигателей - 15%, ухудшение здоровья экипажа - 5% (рис. 1.1) [12, 47].

Г

Ухудшение здоровья экипажа

Ненадежность двигател:

Загрязнение вредными веществами морской среды и биосферы

18%

Коррозия и

V

%

\— Вибрации и шумы Рис. 1.1. Экологический ущерб, наносимый эксплуатацией судов

Экологическая обстановка в морских и речных акваториях во многом зависит от количества выбросов вредных и токсичных веществ судовых главных установок и вспомогательных дизель-генераторов [46, 48].

Судовой двигатель, вырабатывая механическую энергию, осуществляет непрерывный тепломассообмен с атмосферой. Двигатель всасывает воздух и потребляет топливо, а затем выбрасывает отработавшие газы (ОГ), состоящие из части воздуха и продуктов сгорания топлива. Таким образом, воздух, поступающий в цилиндр двигателя, совершает определенный термодинамический цикл, претерпевая при этом химические изменения, в результате чего превращается в сложную газовую смесь с множеством компонентов.

Причина образования в ОГ вредных и токсичных веществ - процесс сгорания топлива. Характерной особенностью дизельных двигателей является периодическое горение предварительно неперемешанных топлива и воздуха. Указанное обстоятельство обуславливает наличие гомофазного и диффузионного типов горения: первый определяется сгоранием топливовоздушной смеси, образовавшейся за период задержки воспламенения, второй - сгоранием остального количества топлива в диффузионном фронте пламени.

1.1. Состав отработавших газов дизельных двигателей

Состав выхлопных газов дизельных двигателей подобен составу отработавших газов других типов двигателей, использующих углеводородное топливо. Отработавшие газы - это гетерогенная смесь различных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателя в его выпускную систему. Всего в ОГ дизельных двигателей содержится около 250 компонентов, часть из которых нетоксична. Объемная концентрация токсичных компонентов в ОГ сравнительно невелика и составляет 0,2-2% [43, 59]. При этом примерно 80-95% от общей массы токсичных компонентов приходится на долю пяти из них: NOx, СО, СНХ, альдегидов RCHO и диоксида серы SO2 (таблица 1.1) [72].

Таблица 1.1- Усредненный состав ОГ отечественных дизельных двигателей

Компоненты ОГ Содержание по объему, % Концентрация, г/м3 Удельный выброс, г/(кВт-ч)

Азот Ы2 74-78 — —

Кислород Ог 2-18 — —

Водяной пар Н20 0,5-9,0 15-100 —

Диоксид углерода СОг 1-12 40-240 —

Оксиды азота МЗХ 0,004-0,5 1-8 10-30

Монооксид углерода СО 0,005-0,4 0,25-2,5 1,5-12,0

Углеводороды СНХ 0,009-0,3 0,25-2,0 1,5-8,0

Бенз(а)пирен С20Н12 — (0,2-0,5)-10"6 (1-2)-10"6

Сажа С — 0,05-0,5 0,25-2,0

Диоксид серы 80г 0,0018-0,02 0,1-0,5 0,4-2,5

Триоксид серы ЭОз 0,00004-0,0006 — —

Альдегиды ЯСНО 0,0001-0,002 1,0-10,0 —

Основным токсичным компонентом ОГ дизельных двигателей вне зависимости от их типа, класса, размерности и конструктивных особенностей являются оксиды азота (Ж)х). Они образуются в камере сгорания (КС) дизельного двигателя путем окисления азота воздуха, а также азота из азотосо-держащих молекул топлива. Но посл