Улучшение экологических характеристик судовых дизелей при работе на тяжелых топливах

На судах морского и речного флота дизель является основным типом судовых энергетических установок, как главных, так и вспомогательных. На обозримую перспективу, по оценкам специалистов, такое доминирующее положение будет сохраняться [39].

Расходы на топливо на судне составляют более 60% от всех эксплуатационных затрат. Следовательно, конкурентоспособность транспортных перевозок в значительной степени^ определяется количеством’и-стоимостью используемого топлива.

Цены на низкокачественные тяжелые топлива значительно ниже цены дизельных дистиллятных топлив. Это открывает перспективы для широкого использования дешевых низкокачественных тяжелых топлив на морском и речном флоте в России и за рубежом.

Тяжелые топлива отличаются от дистиллятных повышенным содержанием высокомолекулярных соединений. Опыт эксплуатации судовых дизелей показал, что утяжелением фракционного состава топлива значительно ухудшаются их экологические, энергетические и ресурсные показатели.

Основной причиной ухудшения рабочих характеристик является неполнота и несвоевременность процесса сгорания. Особенно отчетливо это проявляется при повышении частоты вращения коленчатого вала.

Ежегодный прирост парка поршневых двигателей и их удельной мощности усиливает их отрицательное воздействие на окружающую среду.

В результате сжигания моторных топлив, только в России, в, атмосферу выбрасывается более 10 млн. тонн загрязняющих веществ [70]. На двигатели судового, тепловозного и промышленного применения приходится около 11% глобальных выбросов. Перевод судовых дизелей на тяжелые топлива будет усугублять сложившуюся ситуацию.

В последнее время в мировом двигателестроении наметилась устойчивая тенденция к изменению приоритетов из области повышения топливной экономичности, удельной мощности, ресурса в область безусловного выполнения все более жестких норм по обеспечению экологической безопасности эксплуатации дизелей [61].

Поэтому исследования направленные на выполнение отечественных и международных требований к загрязнению атмосферного воздуха являются актуальными.

Цель работы. Уменьшение количества загрязняющих веществ содержащихся в отработавших газах судового дизеля повышенной оборотности при работе на тяжелых сортах топлива.

Объектом исследования является рабочий процесс судового дизеля с опытной камерой сгорания.

Методика исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Расчеты процесса движения границы газового пузырька находящегося в капле жидкости выполнялись на компьютере посредством численного моделирования. Экспериментальные исследования' процесса горения капли мазута в осциллирующем пламени проводились на специальной опытной установке. Сравнительные испытания опытной камерой сгорания на различных сортах топлива выполнялись на экспериментальной установке изготовленной на базе одноцилиндрового отсека судового дизеля Ч 15/18. Количество газообразных загрязняющих веществ в отработавших газах измерялась газоанализатором, а дымность при помощи дымомера. Давление газов в камере сгорания по углу поворота коленчатого вала определялось стробоскопическим индикатором давления «ДЕКАРТ». Данные, полученные в ходе экспериментальных исследований, обрабатывались на компьютере.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивалась: использованием современных поверенных измерительно-регистрирующих приборов;

— результатами экспериментальных исследований полученных на опытной установке и результатами сравнительных стендовых испытаний отсека судового дизеля;

— удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с данными, полученными экспериментальным путем-.

Научная новизна. Экспериментально установлено, — что в результате комплексного воздействия процессов*сопровождающих кавитациюпроисходит разрушение коксового остатка, находящегося’внутри’капли-мазута.

Проведено численное исследование движения границы газовогопузырька в капле жидкости-помещенной в осциллирующую газовую среду. Установлен ряд закономерностей этого процесса.

На основе результатовполученных в ходе экспериментальных и теоретических исследований спроектирована, изготовлена и испытана опытная камера-сгорания судового дизеля, содержащая генератор газодинамических колебаний.

На одноцилиндровом отсеке судового дизеля с опытной камерой сгоранияпроведены экспериментальные исследования" влияния^ газодинамических колебаний рабочего тела на его рабочие характеристики: Установленочто пульсации газовой среды, возбуждаемые в камере сгорания, существенно уменьшают количество загрязняющих веществ содержащихся в отработавших газах дизеля при работе на дизельном топливе и мазуте.

Практическая ценность. Разработана, спроектирована и изготовлена новая камера сгорания судового-дизеля, содержащая-генератор газодинамических колебаний. Камера сгорания, предназначена для судовых дизелей повышенной оборотности при использовании ими тяжелых сортов-топлива.

Внедрение полученных результатов на флоте позволит получить существенный экономический эффект от разницы в стоимоститоплив без ухудшения экологических и ресурсных показателей судовых дизелей.

Реализация результатов исследования. Научные выводы и практические рекомендации реализованы в ОАО «Томская судоходная компания» и в ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта».

Апробация работы. Основные положения работы представлялись и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях: международной научно-технической конференции «Повышение эффективности силовых установок» (г. Челябинск, 2008 г.) — на четвертой международной научно-практической конференции «АГРОИНФО-2009» (г. Новосибирск, 2009 г.) — и научно-технических конференциях и семинарах проводимых’в Новосибирской государственной’академии водноготранспорта.

Личный вклад автора заключается:

— в постановке задач и разработке методик проведения экспериментальных и численных исследований;

— в получении результата разрушения коксового остатка находящегося внутри капли мазута в результате процесса кавитации;

— в-выполнении численных исследований движения границы газового пузырька в капле жидкости;

— в разработке конструкции опытной камеры сгорания, в проведении пус-коналадочных и доводочных работ;

— в выполнении сравнительных экспериментальных исследований по влиянию газодинамических колебаний возбуждаемых в камере сгорания на рабочие характеристики опытного дизеля;

— в обработке и анализе полученных результатов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять печатных работ, в том числе одна из которых в периодических изданиях рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа представлена на 127 страницах машинописного текста, включает 13 таблиц, 38.

4.4 Основные результаты. Выводы.

1 Для гарантированного преодоления порога кавитационной мотороного топлива определен способ возбуждения пульсаций ттяпттт* а—т^т в камере сгорания дизеля и выбран тип генератора газодинамический коле€>^^а—р=пий.

2 Спроектирована, изготовлена и испытана конструкция камер:&^хсгорания для опытного судового дизеля с объемным смесеобразованием, с^<�"сг". х1. ержапичите на ими-^гцержа-^пзного лт>таты щая генератор газодинамических колебаний.

3 На базе одноцилиндрового отсека судового дизеля 4 15/18 изготовлена экспериментальная установка для проведения экспериментальных исследований-опытного дизеля на различных видах топлива.

4 Выполнен цикл регулировочных работ по настройке рабочего процесса опытного дизеля на номинальном режиме на дистиллятном дизельном топливе.

5 Разработана методика-проведения испытаний опытного дизеля на различных тоиливах и выполнен анализ погрешностей, измерений.

6 Проведены-, исследованиях влияния: газодинамических колебаний рабр-чего тела в камере сгоранияна экологические и энергетические: показатели опытного судового дизеля на дистиллятном дизельном топливе и мазутепри работе по нагрузочным и винтовым характеристикам. Исследованияпоказали:

6.1 При работе на дистиллятном дизельном топливе при возбуждении газодинамических колебаний концентрация оксидов азота в отработавших газах уменьшилась от 13 до 25% в зависимости от режима работы, а дымность на 23% на* всех: исследуемых режимах.

Значения: остальных измеряемыхпараметров — монооксида: углерода, суммарных углеводородов, температуры^ отработавшихгазов, шумамаксимального давления сгорания и скорости нарастания давления по углу поворота коленчатого вала остались без изменений:

Удельный расход топлива при включении генераторагазодинамических колебании увеличился на 6−9 г/кВт ч или на 3−5% в зависимости от режима работыдизеля;

6.2 При переводе двигателя с дистиллятного дизельного топлива на мазут существенно с 7,5 до 14% (по шкале Наїїтіс^е) увеличилась дымность отработавших газовПривозбуждении газодинамических колебаний дымность уменьшилась до 7,4% (по шкале Hartridge).

Концентрация оксидов азота снизилась с 220 до 156 ррш, температура отаботавших газов уменьшилась на 12−19 градусов. На долевых нагрузках наблюдалось значительное сокращение концентрации суммарных углеводородов.

Максимальное давление сгорания, скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала и уровень шума не изменились.

Удельный расход мазута при включении генератора увеличился на 8−14 г/кВт ч, что составляет 4−7% от общего удельного расхода. Потребление топлива генератором повышается с увеличением мощности дизеля.

7 Доводка рабочего процесса и оптимизация конструкции камеры сгорания, содержащей генератор газодинамических колебаний, позволят улучшить полученные результаты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленная к защите работа посвящена исследованию и решению проблемы имеющей большое практическое значение — уменьшению загрязнения от атмосферного воздуха отработавшими газами судовых дизелей при работе на тяжелых сортах топлива.

В результате комплексного теоретического, численного > и экспериментального исследования сделано следующее:

1 На. основе анализа имеющихся сведений показано, что-актуальность использования на флоте низкокачественных тяжелых сортов-топлива определяется следующими^ обстоятельствами:

— растущим дефицитом и стоимостью дистиллятных дизельных топлив;

— истощением запасов легких сортов нефти и повышением стоимости переработки тяжелого нефтяного сырья;

— возможностью получения дополнительной прибыли от разницы в цене дистиллятных и тяжелых моторных топлив.

2 Перевод судовых дизелей-на тяжелое топливо сопровождается^ухудше-нием их энергетических, экологических, эксплуатационных и ресурсных показателей. Основной причиной повышения расхода топлива и количества вредных выбросов с отработавшими газами является неполнота и несвоевременность процесса сгорания. Особенно отчетливо это проявляется при повышении частоты вращения коленчатого вала.

Неуклонное и последовательное ужесточение требований к загрязнению атмосферного воздуха судовыми, дизелями в значительной степени усложняет задачу эффективного использования тяжелых топлив.

3 Сравнительный анализ процессов образования твердых частиц при горении капель дистиллятных и тяжелых топлив показал, что они имеют существенные различия.

При работе двигателей на дистиллятном дизельном топливе происходит газификация жидких углеводородов, затем, из ацетилена, при дефиците окислителя в пламени, образуются частицы сажи.

При работе дизеля на мазуте происходит полимеризация жидких и полутвердых высокомолекулярных соединений с образованием коксового остатка. По имеющимся сведениям время горения такой твердой частицы на порядок больше времени горения жидкой капли одинакового размера. Для разрушения" коксового остаткаобразующегося в процессе горения тяжелого топлива предложено использовать процесс кавитации;

4 Экспериментально подтверждена принципиальная возможность разрушения коксовой частицы находящейся внутри каили мазута при помощи мощных газодинамических колебаний. Для этого необходимо преодолеть порог ка-витационной прочности жидкости." .

5 Разработаны математическая модель и численный метод расчета движения границы: газового пузырька: в капле жидкости помещенной в осциллирующую газовую среду. Численный метод апробирован по данным, полученным в Национальной Физической лаборатории США.

6 Выполнено численное исследование процесса динамики движения, границы газового пузырька в капле мазута, применительно к условиям, имеющим, место в камере сгорания дизеля. Установлен ряд специфических особенностей протекания этого процесса, представляют практический интерес. Результаты расчета использованы при проектировании камеры сгорания опытного образца судового дизеля.

7 Спроектирована^ изготовлена и испытана камера сгорания опытного судового дизеля, содержащая генератор газодинамических колебаний. Выполнен определенный объем, пусконаладочных и доводочных работ.

8 На базе одноцилиндрового отсевка судового дизеля Ч 15/18 изготовлена опытная установка для проведения исследования рабочего процесса при использовании различных сортов топлива. Разработана методика проведения испытаний и выполнен анализ погрешностей измерений.

9 Проведены сравнительные испытания отсека с новой камерой сгорания на дизельном топливе и мазуте при работе по нагрузочным и винтовым характеристикам.

Установлено, что при работе на мазуте, при включении генератора газодинамических колебаний, дымность отработавших газов уменьшилась с 14 до 7,4% по шкале НаЛпс^е, концентрация оксидов азота сократилась с 220 до 156 ррт, температура отработавших газов снизилась на 12−19 градусов. На долевых нагрузках наблюдалось значительное сокращение концентрации суммарных углеводородов.

Максимальное давление сгорания, скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала и уровень шума не изменились. Удельный расход мазута при включении генератора увеличился на 8−14 г/кВт ч, что составляет 47% от общего удельного расхода. Потребление топлива генератором повышается с увеличением мощности дизеля.

10 Доводка рабочего процесса и оптимизация конструкции камеры сгорания содержащей генератор газодинамических колебаний позволят улучшить полученные результаты.

11 Выполнен расчет экономической эффективности перевода судовых дизелей с дистиллятного дизельного топлива на мазут. Экономический эффект для буксира-толкача ОТ-2000 проекта 428 с двумя главными двигателями 6ЧРН 36/45 мощностью 1470 кВт, составил 14,4 млн. рублей за одну навигацию.