close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование рабочего процесса судового среднеоборотного дизеля для снижения содержания оксидов азота в отработавших газах

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Андрусенко Сергей Евгеньевич Шифр научной специальности: 05.08.05 - судовые энергетические установки и их элементы Шифр диссертационного совета: Д 223.001.02 Название организации: Волжская государственная академия водного транспорта
На правах рукописи
Андрусенко Сергей Евгеньевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
СУДОВОГО СРЕДНЕОБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ ДЛЯ
СНИЖЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА
В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ
Специальность 05.08.05 – Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2012
Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская Государственная Академия Водного Транспорта» (ВГАВТ)
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор
Матвеев Юрий Иванович
Доктор технических наук, профессор
Захаров Лев Анатольевич
ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет
им. Р.Е. Алексеева»
Кандидат технических наук, профессор
Жолобов Лев Алексеевич
ФГОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»
ОАО «РУМО»
г. Нижний Новгород
Ведущая организация:
Защита состоится «25» апреля 2012 г. в 15.00 часов в ауд. 281 на заседании диссертационного совета Д223.001.02 при Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а, e-mail: ptps@aqua.sci-nnov.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО
«ВГАВТ».
Автореферат разослан
«22» марта 2012г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
к.т.н.
А.А. Кеслер
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Эксплуатация среднеоборотных двигателей внутреннего сгорания на
судах водного транспорта показывает на протяжении многих лет, что
данные двигатели нашли самое широкое применение и имеют большое
значение для использования в качестве главных энергетических установок.
Вопросы совершенствования дизелей всегда являлись актуальными.
Для судовых двигателей большое значение имеют показатели мощности,
удельного расхода топлива, надежности. Однако последнее время приоритет отдается вопросам экологии. Если недавно основными экологическими параметрами считались содержание оксидов углерода СОХ и не
полностью сгоревших углеводородов СН в отработавших газах, то в настоящее время вводятся более жесткие ограничения на допустимую концентрацию в отработавших газах оксидов азота NOХ, причем решение
этой проблемы оказывается особенно трудным. В настоящее время, снижение выброса NОХ до соответствия уровню международных норм
MARPOL 73/78, запланированных на 2014г., удается достичь лишь увеличением удельного расхода топлива за счет уменьшения степени сжатия,
использования поздних углов начала подачи топлива, рециркуляции отработавших газов. Но такой путь находится в резком противоречии с не менее актуальной проблемой борьбы за повышение топливной экономичности двигателей, острота которой неуклонно возрастает в связи с приближающейся угрозой исчерпания природных ресурсов жидких и газовых
топлив.
Вопросы снижения токсичности и улучшения топливной экономичности дизелей являются изначально взаимосвязанными и взаимоисключающими. Сложность решения этих вопросов заключается в многообразии конструктивных, регулировочных и эксплуатационных факторов, которые влияют на процессы, протекающие внутри цилиндра двигателя, в
частности, на процесс сгорания топлива.
В настоящее время основным нормируемым параметром выбросов
вредных веществ для судовых дизелей является выброс оксидов азота. В
этом случае возникает необходимость решения вопроса, который, по определению фирмы MAN носит название «Дилемма Дизеля».
Условия снижения выбросов оксидов азота в отработавших газах и
удельного расхода топлива противоположны, поскольку для снижения
содержания NOХ необходимо снижать максимальную температуру цикла,
а для снижения удельного расхода топлива – повышать. В тоже время тепловой режим во многом определяет теплонапряженность деталей цилиндро-поршневой группы и, соответственно, надежность работы двигателей.
3
Несмотря на значительное число работ, посвященных исследованию
снижения токсичности отработавших газов, до настоящего времени исчерпывающего решения не найдено. Это подтверждается тем, что большинство современных отечественных дизелей не соответствуют по токсичности отработавших газов как международным, так и нормам, действующим внутри страны.
Таким образом, задача уменьшения токсичности отработавших газов
является актуальной.
Целью исследования является совершенствование рабочего процесса двигателя с приближением процесса сгорания к изобарному с тем, чтобы максимально сохраняя достигнутый уровень топливной экономичности дизеля, добиться сокращения выброса оксидов азота. При этом выполняется основное требование: воздействия на рабочий процесс осуществляются без изменения конструкции двигателя.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Выполнить анализ существующих методов снижения токсичности отработавших газов и уменьшения удельного расхода топлива;
2. Установить основные факторы организации рабочего процесса,
влияющие на образование токсичных компонентов в отработавших газах
и на удельный расход топлива;
3. Получить требуемые параметры эмиссии оксидов азота в отработавших газах и удельного расхода топлива, без существенных изменений
конструкции двигателя;
4. Разработать мероприятия по совершенствованию подачи топлива
в цилиндр двигателя;
5. Разработать методику оценки протекания рабочего процесса по
отложениям сажи и нагара на поверхностях камеры сгорания;
6. Дать рекомендации по снижению удельного расхода топлива.
Объектом исследования является рабочий процесс судового среднеоборотного дизеля 6ЧРН36/45.
Предметом исследования являются процессы, протекающие в камере сгорания двигателя.
Методы исследований
аналитический, основанный на известных зависимостях расчета
рабочего процесса;
экспериментальный, основанный на разработанных автором методиках сравнительного исследования распространения факела
по отпечатку на поверхностях камеры сгорания, следам отложения нагара и сажи на деталях цилиндро-поршневой группы двигателя для оценки качества протекания рабочего процесса.
4
Научная новизна
1. Разработана методика оценки качества протекания рабочего процесса по отложениям нагара и образованию сажи на поверхностях камеры
сгорания дизеля;
2. Разработан рабочий процесс, отличающийся:
от рабочего процесса двигателя со смешанным изохорноизобарным подводом теплоты более поздним началом подачи топлива до ВМТ и основной фазой его сгорания на линии расширения;
от рабочего процесса двигателя с изобарным подводом теплоты при постепенном введении топлива после ВМТ более ранним
введением топлива до ВМТ;
3. Разработан алгоритм оптимизации рабочего процесса среднеоборотного дизеля для снижения токсичности отработавших газов;
4. Установлено, что рабочий процесс среднеоборотного судового
дизеля с приближенным к изобарному процессу сгорания топлива снижает образование оксидов азота в отработавших газах;
5. Предложена система топливоподачи с устройством демпфирования колебаний топлива в топливоподающем трубопроводе;
6. Установлено влияние угла начала подачи топлива на удельный
расход топлива и содержание оксидов азота в отработавших газах.
Практическая ценность
1. Даны практические рекомендации по регулировке среднеоборотных дизелей для снижения токсичности отработавших газов.
2. Установлено влияние профиля топливного кулачка, фаз газораспределения, угла начала подачи топлива на топливную экономичность и
образование оксидов азота в отработавших газах.
3. Разработаны требования к системам топливоподачи, газораспределения, позволяющие довести процесс сгорания с приближением к изобарному.
4. Дано обоснование выбора способа уменьшения выбросов оксидов
азота в отработавших газах и снижения удельного расхода топлива.
5. Результаты исследований в виде практических рекомендаций могут быть распространены на все судовые среднеоборотные дизели, применяемые на судах водного транспорта, а также могут быть применены на
судоремонтных предприятиях, дизелестроительных заводах и в проектных организациях.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
рабочий процесс среднеоборотного дизеля с приближением его к
изобарному процессу сгорания топлива;
5
алгоритм оптимизации рабочего процесса, приближенного к изобарному процессу сгорания топлива;
метод сравнительной оценки качества протекания рабочего процесса по отложениям нагара и образованию сажи на поверхностях камеры
сгорания;
принципиальная схема системы топливоподачи с устройством
демпфирования колебаний топлива в топливоподающем трубопроводе.
Достоверность научных результатов обуславливается использованием общих уравнений гидродинамики, теплофизики и термодинамики,
обоснованностью допущений, принятых при введении упрощенных физических и математических моделей, а также согласованием расчетных результатов с экспериментальными данными. Результаты проведенных испытаний согласуются с ранее проведенными исследованиями на испытательном стенде ОАО «РУМО» и приняты к внедрению в ОАО «МРСК
Северо-Запада» объекта «Мезенская ДЭС».
Апробация работы
Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Эксплуатации
судовых
энергетических
установок»,
международной
научнопрактической конференции «Современные инновации в науке и технике»
(2011г.), международном форуме «Великие реки» (2009-2011 гг.), ежегодных
научно-технических
конференциях
профессорскопреподавательского состава ВГАВТ (2009-2011гг.)
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в
семи печатных работах.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, 9 приложений. Основное содержание работы изложено на 124 страницах машинописного текста и включает 27 рисунков и 15 таблиц. Список библиографических источников включает 137 наименований. Приложение содержит 34 страницы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы.
В первой главе приведен состав отработавших газов (ОГ), механизм
образования токсичных компонентов. Рассмотрены отечественные и международные нормы выбросов токсичных компонентов с ОГ. Произведен
анализ существующих способов снижения токсичности дизелей. Проблема уменьшения выбросов оксидов азота NOХ с ОГ и топливная экономич-
6
ность связаны так называемой «Дилеммой Дизеля»: снижение выбросов
NOХ приводит к увеличению удельного расхода топлива. Показано существование закона сохранения «Дилеммы Дизеля».
Вопросы топливной экономичности, токсичности отработавших газов, расчета рабочего процесса, наддува дизелей, процесса топливоподачи
рассмотрены в научных трудах Гриневецкого В.И., Мазинга Е.К., Вибе
И.И., Калиша Г.Г., Орлина А.С., Разлейцева Н.Ф., Иванченко Н.Н., Красовского О.Г., Кулешова А.С., Тринклера Г.В., Лышевского А.С., Петриченко Р.М., Кавтарадзе Р.З., Иващенко Н.А., Горбунова Н.А. Несмотря на
большой объем выполненных исследований и проведенных экспериментальных работ, задачи, связанные с повышением топливной экономичности с одновременным снижением токсичности отработавших газов, к настоящему времени не решены и остаются актуальными.
В работе приведено обоснование выбора способа уменьшения выбросов токсичных компонентов и уменьшения удельного расхода топлива
за счет применения рабочего процесса, приближенного к сгоранию при
постоянном давлении.
В результате проведенного анализа установлено что решение «Дилеммы Дизеля» состоит в нахождении такого компромиссного решения, в
котором при уменьшении выбросов оксидов азота удельный расход топлива должен сохраниться на уровне удельного расхода топлива базового
двигателя или незначительно превосходить его.
Уменьшение образования оксидов азота в ОГ дизелей может быть
реализовано двумя способами – с помощью первичных мероприятий, направленных на совершенствование рабочего процесса, и вторичных мероприятий, направленных на снижение содержания токсичных компонентов
с помощью применения внешних устройств. К последним относятся каталитическая очистка газов, применение влажного цикла, использование
водо-топливной эмульсии, перепуск части отработавших газов во впускной коллектор двигателя.
Опыт мирового дизелестроения показывает, что для создания малотоксичного дизеля необходимо реализовать, прежде всего, первичные
мероприятия по двигателю, то есть максимально довести рабочий процесс
до параметров минимального удельного расхода топлива и выбросов токсичных компонентов с ОГ, удовлетворяющих требованиям отечественных
и международных стандартов. Нормами выброса токсичных компонентов
при этом считаются параметры уровня Tier II приложения VI международной конвенции MARPOL 73/78. После реализации первичных мероприятий снижения содержания токсичных компонентов, дальнейшее
улучшение экологических показателей возможно только за счет внедрения вторичных мероприятий.
7
Одним из путей совершенствования рабочего процесса среднеоборотного судового дизеля является организация рабочего процесса, приближенного к изобарному.
Проанализировав основные пути снижения содержания токсичных
компонентов в ОГ и уменьшения удельного расхода топлива, сформулирована цель и задачи исследований, направленных на снижение токсичности и улучшение топливной экономичности судовых среднеоборотных
дизелей.
Во второй главе выполнены теоретические исследования рабочего
процесса судового среднеоборотного дизеля. Определено влияние различных факторов на токсичность отработавших газов, а также разработаны требования к системам топливоподачи и газораспределения, с целью
организации процесса сгорания топлива, приближенного к изобарному:
влияние угла начала и продолжительности подачи топлива на основные параметры дизеля;
влияние профиля топливного кулачка на показатели процесса топливоподачи и топливную экономичность;
влияние фаз газораспределения на организацию рабочего процесса
и содержание токсичных компонентов в отработавших газах;
влияние волновых процессов на работу топливной системы.
На основании анализа результатов исследований показано:
увеличение продолжительности подачи ведет к увеличению количества поступающего топлива в камеру сгорания на участке расширения,
поэтому снижаются скорость нарастания давления и максимальное давление сгорания. В результате происходит уменьшение индикаторного КПД
и рост температуры отработавших газов;
при уменьшении угла начала подачи топлива происходит снижение максимального давления (рисунок 1) и максимальной температуры
цикла, что положительно сказывается как на снижении динамических нагрузок на детали дизеля, так и на уменьшение выброса оксидов азота;
вогнутый участок профиля топливного кулачка дает возможность
сократить геометрическую продолжительность подачи топлива, а выпуклый участок профиля позволяет сохранить постоянство средней скорости
плунжера в течение периода активного впрыска топлива. Вогнутовыпуклый профиль способствует получению уменьшенного удельного
расхода топлива;
с увеличением фактора динамичности (отношение количества топлива, поданного за период задержки воспламенения, к цикловой подаче)
растет скорость нарастания давления, возрастает жесткость работы дизеля. При слишком малой величине этого фактора, нарастание давления в
8
цилиндре будет медленным, а продолжительность большой, что приведет
к повышенным расходам топлива;
Рисунок 1 – Влияние угла начала
подачи топлива на максимальное
давление цикла
увеличение продолжительности подачи ведет к повышению температуры ОГ и увеличению удельного расхода топлива. Для поддержания
мощности необходимо дополнительное количество топлива, что увеличивает его расход;
установкой соответствующих фаз газораспределения можно увеличить массу остаточных газов, чем достигается снижение максимальной
температуры цикла, так как уменьшается масса свежего заряда и, следовательно, подведенная теплота;
применение демпфера на подающем трубопроводе топливной системы уменьшает вероятность подвпрыска после посадки иглы форсунки.
В третьей главе произведено исследование взаимосвязи между топливной экономичностью и токсичностью ОГ с использованием метода
математического моделирования, базирующегося на основе описания реальных процессов рабочего цикла физически обоснованными аппроксимирующими зависимостями с привлечением известных положений теории диффузионно-кинетического сгорания топлива.
Для моделирования рабочего процесса при различных углах начала
подачи топлива и фаз газораспределения был использован расчетный
комплекс «Дизель-РК», разработанный в МГТУ им. Баумана Кулешовым А.С.
Достоверность результатов моделирования рабочего процесса по
программному обеспечению расчетного комплекса «Дизель-РК» обуславливается использованием общих уравнений гидродинамики, теплофизики
и термодинамики, обоснованностью допущений, принятых при введении
9
упрощенных физических и математических моделей, а также согласованием расчетных результатов с экспериментальными данными.
Оптимизация рабочего процесса производилось в соответствие с разработанным алгоритмом (рисунок 2).
Рисунок 2 – Блок-схема оптимизации рабочего процесса
Особенностями представленного алгоритма оптимизации рабочего
процесса являются проведения поисковых исследований направленных на
снижение образования оксидов азота при сохранении топливной экономичности за счет:
1. Проведения моделирования рабочего процесса базового двигателя с получением сопоставимости расчетных и действительных параметров
двигателя;
2. Проведения моделирования рабочего процесса базового двигателя с измененным началом подачи топлива, приближенным к изобарному
процессу сгорания;
3. Проведения моделирования рабочего процесса базового двигателя с измененными фазами газораспределения.
По результатам моделирования были определены оптимальные углы
начала подачи топлива и фазы газораспределения с последующим моделированием нового рабочего процесса. Также были определены основные
10
факторы, влияющие на образование токсичных компонентов в ОГ и сажи
на поверхностях камеры сгорания.
С точки зрения зонной теории горения топлива на содержание токсичных компонентов в ОГ двигателя и отложения сажи на поверхностях
камеры сгорания оказывает влияние концентрация топлива в различных
зонах топливной струи (рисунок 3).
Рисунок 3 - Зоны горения топлива
1 – уплотненное осевое ядро (core); 2 – уплотненный передний
фронт (front); 3 – разреженная оболочка топливной струи (env); 4
– конусообразное осевое ядро пристеночного потока (w); 5 - уплотненное ядро пристеночного потока (wcore); 6 – передний
фронт пристеночного потока (wfr); 7 – разреженная оболочка
пристеночного потока (wenv)
Согласно зонной теории, сгорание топлива наиболее интенсивно
проходит в зоне оболочки топливной струи, в которой находится гомогенная смесь воздуха и топлива. Остальная часть топлива сгорает с меньшей скоростью и с большим запаздыванием по времени. Большая концентрация топлива в ядре топливной струи приводит к ухудшению сгорания
топлива с образованием сажи на поверхностях камеры сгорания. Сажа в
топливном факеле образуется в результате пиролиза топлива - его разложения под действием высокой температуры в среде с недостатком кислорода. Распределение зон развития топливной струи показано на рисунке 4.
Данные для визуализации развития топливных струй из расчетного
комплекса «Дизель-РК» позволяют определить распределение топлива в
зонах топливной струи на основе уравнений зонной модели диффузионнокинетического сгорания.
Рассматривая основные уравнения, определяющие концентрацию
топлива в различных зонах топливной струи, можно прийти к выводу, что
выбросы токсичных компонентов и удельный расход топлива связаны
следующими функциональными зависимостями с уравнениями распределения топлива по зонам
11
NO x , be опт
lk core s k 1 0,1 l ядро
front 0.8 k t A передний фронт
lk
env t 0,2 k t 0,1 s k оболочка l
1
NO x
E
A
P
exp
1
f
RT ,
0,8 1 A поверхност и КС k
t
W
W wcore wfr wenv одиночная струя
V
cross W cross
пересечени е факелов V
W
V
cross
cross wcore wfr wenv VW
где s- доля топлива, введенного в цилиндр в момент времени τs в соответствии с законом подачи топлива =f(τ); τ=τs-τm - время на момент
начала торможения элементарной порции топлива на расстоянии l от
форсунки; k - порция топлива, введенного в цилиндр за время τk=τm
момента полного торможения элементарной порции топлива; τm время полного торможения элементарной порции топлива; lk=l-bm расстояние между форсункой и задней стороной уплотненного переднего фронта (рисунок 3); l - длина струи в момент времени s; tдоля топлива, введенного в цилиндр за время τ; Vcross - объем топлива
в пристеночном потоке для пересекающихся пристеночных потоков;
Vw - объем топлива в пристеночном потоке для одиночной струи; τ –
время; P – давление; α – коэффициент избытка воздуха; T – температура; A, E, R – постоянные.
Рисунок 4 - Зоны образования токсичных компонентов и сажи в топливном факеле
12
Высокая концентрация топлива в ядре топливной струи (core) по
уравнению (1) способствует образованию сажи вследствие пиролиза топлива и ухудшению топливной экономичности. Горение гомогенной смеси
топлива и воздуха в разреженной оболочке топливной струи (env) по
уравнению (3) способствует быстрому высокотемпературному эффективному выгоранию топлива с образованием оксидов азота. Уплотненный
передний фронт топливной струи (front) по уравнению (2) частично выгорает вследствие диффузии топлива, частично попадает вместе с уплотненным топливным ядром на поверхности камеры сгорания (уравнение
(4)). Попавшее на поверхности камеры сгорания топливо способствует
образованию пересечений топливных струй (wcore) согласно уравнения
(6), в которых топливо выгорает с большой задержкой по времени и способствует отложению несгоревших углеводородов в виде нагара и сажи,
влияющих на экономичность рабочего процесса.
Зонная теория диффузионно-кинетического сгорания топлива позволяет не только оценить рабочие параметры цикла, но и произвести качественную оценку протекания рабочего процесса. На основе этого разработана методика сравнительной оценки качества протекания рабочего процесса при изменении моделируемых параметров двигателя. При этом
производится сравнение относительной концентрации топлива в зонах
топливной струи.
Представленные уравнения распределения топлива в топливной
струе справедливы лишь при условии полной отсечки топлива в момент
закрытия сопловых отверстий в форсунке. Однако, в связи с образованием
волн в подающем и нагнетательном топливных трубопроводах, колебательные процессы в них оказывают влияние как на топливную экономичность, так и на процесс подачи топлива топливным насосом высокого
давления (ТНВД) и на износ от кавитации прецизионной пары втулкаплунжер.
При конструировании топливного насоса желательно обеспечить
полное разделение линии всасывания от линии отсечки вследствие того,
что при начале отсечки возникает значительный импульс, вызывающий в
линии всасывания колебания давления, которые могут препятствовать
наполнению топливом камеры нагнетания насоса. Вызывается это тем,
что перед всасывающими окнами в момент наполнения могут образовываться подпоры давления и разрывы потока топлива. Пары топлива и воздух, выделяющиеся при разрыве потока, не только ухудшают наполнение,
но и способствуют кавитационному износу плунжерной пары. С целью
гашения волновых процессов в топливных трубопроводах и устранения
влияния их на работу нагнетательного клапана топливного насоса, на топливных трубопроводах необходима установка демпфирующих устройств.
13
Особенно они необходимы на дизелях, ТНВД которых не имеют отсечного трубопровода, как это имеет место у насосов дизеля 6ЧРН 36/45, поскольку, вся энергия от волны переходит в подающий топливопровод,
откуда передается в соседние цилиндры по порядку их работы, что приводит к еще большему ухудшению работы топливной аппаратуры и образованию подвпрысков и ухудшению топливной экономичности двигателя.
В работе предложен расчет и конструкция демпфирующего устройства, представленного на рисунке 5.
Рисунок 5 – Предлагаемая конструкция демпфирующего устройства
для разгрузки подающего топливопровода
В четвертой главе представлены результаты моделирования рабочего процесса двигателя 6ЧРН 36/45 производства ОАО «РУМО» в соответствии с разработанным алгоритмом. Результаты моделирования подтвердили что приближенный к изобарному рабочий процесс двигателя обеспечивает снижение содержания оксидов азота в ОГ ниже норм уровня Tier
II требований Приложения VI Конвенции MARPOL 73/78.
Снижение содержания оксидов азота в ОГ было получено за счет
уменьшения угла начала подачи топлива с сохранением удельного расхода топлива на уровне базового двигателя изменением фаз газораспределения. Оптимизация углов начала подачи топлива и фаз газораспределения
проводилось по 3-d моделям результатов расчета (рисунок 6).
Реализация рабочего процесса, приближенного к изобарному, позволила получить:
уменьшение максимального давления цикла на 20 бар (2 МПа);
смещение угла максимального давления цикла на 5 град. п.к.в по
линии расширения;
14
уменьшение максимальной температуры цикла на 180 градусов;
смещение угла максимальной температуры цикла на 17 град. п.к.в.
по линии расширения;
уменьшение максимальной скорости нарастания давления в 1,6
раза;
уменьшение периода задержки воспламенения в 1,2 раза;
уменьшение содержания оксидов азота в ОГ на 4,75 г/(кВт ч);
увеличение удельного расхода топлива на 1,3 г/(кВтч);
степень приближения нового рабочего процесса к изобарному составляет почти 40% от минимально рекомендуемого для среднеоборотных
дизелей со смешанным сгоранием значения, при котором степень повышения давления составляет 1,6-2,5.
Рисунок 6 – 3-d модель образования оксидов азота при угле
начала подачи топлива 8 до ВМТ для впускного и выпускного клапанов соответственно
С целью уменьшения удельного расхода топлива в разработанном
рабочем процессе было выполнено моделирование рабочего процесса с
увеличенной степенью сжатия. Полученные диаграммы протекания рабочего процесса представлены на рисунках 7, 8, 9. Результаты расчета рабочего процесса с измененной степенью сжатия по отношению к разработанному, приближенному к изобарному, рабочему процессу показали, что
при степени сжатия 14,5:
удельный расход топлива снизился почти на 8 г/(кВтч);
эмиссия оксидов азота оказалась практически на том же самом
уровне;
максимальное давление цикла увеличилось, но не превысило значения максимального давления цикла базового варианта рабочего процесса двигателя Г70;
незначительно увеличилась скорость нарастания давлении и максимальная температура цикла;
15
период задержки воспламенения уменьшился в 1,2 раза.
В соответствие с разработанной методикой оценки качества протекания рабочего процесса был произведен анализ работы двигателя по распределению топливных факелов и отложениям сажи на поверхностях камеры сгорания. Результаты расчета показали, что в базовом варианте
двигателя при угле начала подачи топлива за 20 до ВМТ в ядре топливной струи содержится почти на 5% больше топлива по сравнению с вариантом при подаче топлива за 8 до ВМТ. В то же время оболочка топливной струи содержит на 2,5% больше испарившегося топлива при более
позднем начале подачи топлива. Однако, на поверхности поршня содержание топлива оказалось на 13% выше в случае более позднего впрыска, а
в пересекающихся пристеночных потоках соседних струй топлива оказалось на 6% меньше.
Рисунок 7 – Содержание оксидов азота в цилиндре двигателя
a – базовый двигатель; b – рабочий процесс, приближенный к изобарному;
c - рабочий процесс, приближенный к изобарному со степенью сжатия 14,5
По результатам проведенных расчетов можно констатировать следующее:
в связи с тем, что ядро топливной струи базового двигателя содержит большее количество топлива, а в оболочке содержание топлива ниже,
то в базовом варианте двигателя образование сажи и нагара должно происходить более интенсивно;
увеличение содержания топлива в пересекающихся пристеночных
потоках базового двигателя также способствует увеличению отложения
нагара на поверхностях камеры сгорания.
16
Приведенные заключения позволяют сделать вывод о том, что увеличение отложений нагара и сажи должно привести к ухудшению топливной экономичности двигателя и некачественному протеканию рабочего
процесса.
Рисунок 8 – Изменение давления в цилиндре двигателя
a – базовый двигатель; b – рабочий процесс, приближенный к изобарному;
c - рабочий процесс, приближенный к изобарному со степенью сжатия 14,5
Рисунок 9 – Изменение температуры в цилиндре двигателя
a – базовый двигатель; b – рабочий процесс, приближенный к изобарному;
c - рабочий процесс, приближенный к изобарному со степенью сжатия 14,5
17
Была проведена экспериментальная проверка отложения нагара и
сажи на поршне базового двигателя и двигателя 8ЧН32/40 производства
ОАО «РУМО» с приближенным к изобарному рабочему процессу (рисунок 10, 11).
Рисунок 10 - Отложения нагара и сажи на поршне
базового двигателя 6ЧРН36/45
Рисунок 11 – Отложения нагара и сажи на поршне
двигателя 8ЧН32/40
По результатам проведенных исследований установлено:
1. Рабочий процесс двигателя 6ЧРН 36/45 не оптимален как с точки
зрения топливной экономичности, так и с точки зрения образования NOХ
в ОГ. Кроме того, высокая скорость нарастания давления и небольшой
угол действия максимального давления создают большие динамические
нагрузки на детали шатунно-поршневой группы и высокую шумность
работы двигателя. Высокие температуры сгорания топлива в камере сго-
18
рания создают высокие тепловые напряжения в деталях цилиндропоршневой группы.
2. Уменьшением угла начала подачи топлива рабочий процесс приближается к изобарному, в результате чего можно получить эмиссию NO Х
в отработавших газах ниже показателей, предусмотренных нормой Tier II,
снизить динамические нагрузки на детали двигателя вследствие переноса
процесса сгорания на линию расширения, уменьшить концентрацию доли
топлива в ядре топливной струи с соответствующим уменьшением отложений нагара и сажи на поверхностях камеры сгорания. Однако в этом
случае происходит увеличение удельного расхода топлива.
3. Уменьшение максимального давления сгорания при сохранении
мощности в приближенном к изобарному цикле может быть использовано
для форсировки двигателя по степени сжатия до достижения уровня максимального давления, соответствующего максимальному давлению базового двигателя. При этом экономичность работы двигателя повышается.
4. Для полного и своевременного сгорания топлива необходимо
обеспечить такое его распространение в камере сгорания, чтобы, с одной
стороны, максимальное количество топлива было распределено в разреженной оболочке струи, где имеют место наилучшие условия для его испарения и быстрого сгорания, а, с другой стороны – исключить и минимизировать попадание топлива в зоны с плохими условиями испарения, например, на стенку цилиндра или в зоны пересечения пристеночных потоков от соседних струй. Для форсированных дизелей предпочтительна
мелкая камера сгорания, где струи попадают на стенку камеры в поршне
под острым углом. При этом пристеночный поток развивается по поверхности поршня преимущественно в радиальном направлении и тормозится
за счет высокой плотности заряда. Соседние струи не мешают друг другу,
что позволяет увеличить количество сопловых отверстий и, за счет этого,
сократить продолжительность топливоподачи, что вместе с уменьшением
поверхности теплоотдачи обеспечивает рост КПД. Недостатком данной
концепции является возможность попадания топлива на зеркало цилиндра, где оно не сгорает полностью и вызывает повышенный выброс углеводородов. Данный эффект устраняется применением жарового кольца и
сокращением продолжительности впрыскивания. В любом случае для оптимизации рабочего процесса требуется оптимизация параметров топливоподачи и конструкции распылителя, а также согласование их с формой
камеры сгорания в поршне.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. На основании аналитического обзора и теоретических исследований определены основные мероприятия снижения содержания токсичных
19
компонентов в отработавших газах и повышение топливной экономичности судовых среднеоборотных дизелей.
2. Установлено, что основным фактором, влияющим на повышение
содержания оксидов азота в отработавших газах является высокая максимальная температура цикла.
3. Разработан алгоритм оптимизации рабочего процесса среднеоборотного дизеля, с приближением его к изобарному процессу сгорания топлива.
4. Показано, что рабочий процесс среднеоборотного дизеля с приближением к изобарному процессу сгорания топлива снижает образование оксидов азота.
5. Приближение рабочего процесса к изобарному процессу сгорания
топлива позволяет повысить степень сжатия двигателя с выходом максимальных нагрузок нового цикла до уровня базового двигателя. При этом
уменьшается удельный расход топлива при сохранении эмиссии оксидов
азота в отработавших газах двигателя.
6. О качестве протекания рабочего процесса и процесса сгорания
топлива можно судить по форме и расположению отпечатков факела на
деталях цилиндро-поршневой группы и нагарам на поршне, цилиндровой
втулке и форсунке двигателя.
7. Оптимизация рабочего процесса осуществляется за счет «первичных мероприятий» по двигателю, которые включают уменьшение угла
начала подачи топлива, изменение фаз газораспределения, доработку топливной системы двигателя в части установки демпфирующего устройства
на подающем трубопроводе.
8. Результаты исследований могут быть распространены на все судовые среднеоборотные дизели, применяемые на судах водного транспорта. Они могут быть также использованы на судоремонтных предприятиях,
на дизелестроительных заводах и в проектных организациях.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК
1. Андрусенко С.Е., Андрусенко О.Е., Матвеев Ю.И. Динамика рабочего процесса приближенного к сгоранию при постоянном давлении// Серия: Морская техника и технология №2-1. Астрахань: Астраханский Государственный Технический Университет, 2011. – с. 61-67.
Публикации в других изданиях
2. Андрусенко С.Е., Садеков М.Х. Оценка влияния системы охлаждения
судовых дизелей на величину эффективного к.п.д.// 11-й Международный
научно-промышленный форум «Великие реки’2009» Труды конгресса.
20
Том 2. Н.Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т. – Н.Новгород:
ННГАСУ, 2010.– с. 334-336.
3. Андрусенко С.Е., Садеков М.Х, Борисов Н.Н., Чичурин А.Г. Пути
повышения экономических показателей судовых дизелей//11-й Международный научно-промышленный форум «Великие реки’2009». Труды конгресса. Том 2. Н.Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т. –
Н.Новгород: ННГАСУ, 2010.– с. 337-339.
4. Андрусенко С.Е. Особенности протекания рабочего процесса, приближенного к изобарному процессу сгорания топлива// Управление в системе
коммуникаций: Материалы II всероссийской научной конференции. Астрахань: ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2010.- с. 128-132.
5. Андрусенко С.Е. «Дилемма Дизеля» и проблема эффективного использования дизелей // Сборник Современные инновации в науке и технике.
Материалы международной научно-практической конференции. Курск:
Югозападный государственный университет, 2011. – с. 17-21.
6. Андрусенко С.Е. Проблема снижения токсичности среднеоборотных
судовых ДВС // Современные материалы, техника и технология: материалы Международной научно-практической конференции (22 декабря 2011
года)/ редкол.: Горохов А.А. (отв. Ред.); Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2011. –
с. 36-39.
7. Матвеев Ю.И. История возникновения двигателя Дизеля. Памяти Рудольфа Дизеля посвящается / Ю.И. Матвеев, О.Е. Андрусенко, С.Е. Андрусенко. - Астрахань: Астраханский филиал ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2011.
– 262 с.
21
Формат А5. Гарнитура «Таймс».
Ризография. Усл. печ. л. 3.
Тираж 100 экз. Заказ № 15.
_______________________________________________________________
ООО ЦОП «ДОКУМЕНТ»
г. Нижний Новгород, ул. Малая Ямская, 3 «Б»
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
506
Размер файла
823 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа