Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор способов. анализ исследований по снижению вредных выбросов СДВС. предварительные экспериментальные исследования с целью выбора направления .
1.1. Анализ существующих норм на вредные выбросы СЭУ. 9
1.2. Анализ способов и исследований снижения NOx в ОГ судо- 14
вых дизелей.
1.3. Проведение экспериментальных исследований с целью выбора направления по снижению оксидов азота .
1.4. Рециркуляция отработавших газов. 30
1.5. Выбор направления исследования и постановка задачи. 34
ГЛАВА 2. Описание экспериментальной установки на базе дизель - генератора дгр100/750, методики проведения эксперимента .
2.1 Состав экспериментального стенда. 36
2.2. Система рециркуляции отработавших газов дизеля 6418/22. 37
2.3 Описание фильтра нейтрализатора. 38
2.4 Обоснование выбора и расчета системы испарительного охлаждения.
2.5 Разработка предварительной методики испытаний и порядка обработки полученных результатов.
2.6. Описание схемы измерений. 45
2.7. Методика оценки доли газов, идущих на рециркуляцию по результатам газового анализа.
ГЛАВА 3. Анализ результатов испытаний дизель-генератора с системой рециркуляции отработавших газов. результаты испытаний фильтра-нейтрализатора( фирмы "нейтраль эко").
3.1. Изменение параметров двигателя 6418/22 с системой рециркуляции отработавших газов.
3.2. Влияние рециркуляции отработавших газов на выбросы оксидов азота .
3.3. Влияние РОГ и испарительного охлаждения на содержание продуктов неполного сгорания.
3.4.Результаты испытаний фильтра - нейтрализатора. 79
3.5. Результаты испытания комбинированной системы. 82
3.6. Выводы по результатам экспериментальных исследований.
Моделирование процессов в цилиндре дизеля с рециркуляцией отработавших газов инженерная методика расчета увеличения расхода топлива .
4.1. Задача моделирования. 85
4.2. Методы расчета рабочего процесса и определения удельного расхода топлива.
4.3. Алгоритм расчета рабочего цикла в цилиндре 89
4.4. Анализ экспериментальных данных рабочего процесса в цилиндре и расчетные данные .
4.5. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по удельному расходу топлива при различной доле рециркуляции
отработавших газов.
4.6. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по зависимости оксидов азота от доли рециркуляции отработавших газов.
4.7.Влияние температуры окружающей среды на показатели работы дизеля с рециркуляцией отработавших газов.
Заключение и выводы 109
Библиографичнеский список
- Проведение экспериментальных исследований с целью выбора направления по снижению оксидов азота
- Система рециркуляции отработавших газов дизеля 6418/22.
- Влияние рециркуляции отработавших газов на выбросы оксидов азота
- Анализ экспериментальных данных рабочего процесса в цилиндре и расчетные данные
Введение к работе
Актуальность работы. Ужесточение норм на токсичные выбросы с судов, введение в действие Протокола 1997 года к МАРПОЛ 73/78 с 1 января 2000 года требует немедленных мер для приведения токсичных выбросов с судов в соответствие с введенными нормами.
Неорганические и органические соединения, входящие в состав отработавших газов(ОГ) транспортных двигателей, в том числе и СЭУ, оказывают на животный и растительный мир вредное комплексное воздействие: токсическое - вызывают отравления, канцерогенное - способны вызывать злокачественные новообразования, мутагенное - могут изменять наследственность у рождающихся детей, тератогенное - способствуют возникновению уродства, алергенное - вызывают заболевания связанные с повышенной чувствительностью к действию различных химических веществ.
Судовые дизель — генераторы(ДГ), обеспечивающие суда электроэнергией, постоянно работают в черте городов, в портах и шлюзах. В этих зонах наблюдается скопление судов и резко ухудшается экологическая обстановка, во-первых, из - за ограниченности акватории, что влечет за собой невозможность быстрого рассеивания токсичных выбросов, во-вторых, в портах и шлюзах судовые ДГ работают на тяжелых режимах, связанных с погрузочными операциями и с работой подруливающих устройств. Все эти факторы ведут к значительному увеличению локальных выбросов и превышению предельно допустимых концентраций,
В составе отечественных дизель - генераторов широкое распространение на речном транспорте получили ДГ с дизелями 6418/22. Они установлены на суда проекта Р153 (толкачи), 19620 (овощевозы), 05074 (сухогрузы), 1577 (танкеры) общим количеством 200 судов, причем на каждом из них установлено по 2-3 дизель-генератора. Поэтому в качестве объекта исследования путей снижения токсичности был выбран дизель-генератор на базе среднеоборотного малофорсированного дизеля 6418/22. Дизель-генератор этой модели установлен в лаборатории МГАВТ.
К настоящему времени выполнено значительное число работ по снижению токсичных выбросов и, в первую очередь, оксидов азота, отечественными и зарубежными фирмами, организациями и исследователями. Среди отечественных можно отметить ЦНИДИ, НАМИ, МАДИ, МГТУ им. Баумана, РУДН, и другие организации. К числу основателей этого направления можно отнести В.А. Звонова, В.Н. Смайлнса, О.Н. Лебедева и др. Среди зарубежных фирм следует отметить МАН, МТУ, Катерпиллер, Вяртсиля.
Остро стоящая проблема снижения выброса оксидов азота решается многими способами, в частности: изменением угла опережения подачи топлива, охлаждением наддувочного воздуха, рециркуляцией отработавших газов и другими. Однако наиболее подходящим для водного транспорта способом является рециркуляция отработавших газов, которая конструктивно значительно проще, чем вышеупомянутые способы. Однако этот способ приводит к увеличению продуктов неполного сгорания и удельного расхода топлива.
способа рециркуляции применительно к судовым ДГ. Необходима
оценка эффективности этого способа, т.е. оценка увеличения расхода топлива и разработка путей, уменьшающих этот отрицательный эффект.
Цель работы. Разработка системы рециркуляции отработавших газов и проведение экспериментальных исследований рециркуляции с испарительным охлаждением, фильтра - нейтрализатора типа "Эко-Нейтраль" на судовом среднеоборотном дизель - генераторе и разработка инженерной методики для оценки влияния системы рециркуляции отработавшігх газов на снижение NOx и на эффективный расход топлива дизель - генератора.
Методы исследования. Экспериментальные исследования системы рециркуляции отработавших газов с испарительным охлаждением на полноразмерном судовом дизель - генераторе. Экспериментальные исследования фильтра - нейтрализатора на судовом двигателе мощностью 100 кВт и на полноразмерном судовом дизель - генераторе. Теоретическое исследование на ПЭВМ математической модели рабочего процесса в цилиндре при рециркуляции отработавших газов с целью оценки изменения расхода топлива и снижения оксидов азота.
Научная новизна. Впервые проведены экспериментальные исследования судового дизель - генератора с системой рециркуляции отработавших газов и системой испарительного охлаждения, а также фильтра - нейтрализатора для двигателя мощностью 100 кВт и получены экспериментальные данные по снижению токсичности и увеличению расхода топлива. Разработаны методы оценки количества рсциркулкрусмого газа по результатам газового анализа и усовершенствована математическая модель рабочего процесса в цилиндре применительно к системе рециркуляции отработавших
газов. Получены эмпирические зависимости для оценки влияния системы рециркуляции ОГ на снижение оксидов азота.
Практическая ценность. Основные положения и результаты выполненной работы могут использоваться при разработке способов снижения токсичных выбросов среднеоборотных судовых дизель -генераторов с малой форсировкой. На основании предложенных методов при проектировании систем рециркуляции ОГ могут быть произведены оценки эффективности этих систем. Проведенные мероприятия позволили снизить выбросы на 25% и довести их до требований МАРПОЛ.
Реализация работы. Результаты данного исследования переданы в службу речного флота для ознакомления пароходств и других организаций, имеющих флот, в соответствии с выполненной научной темой. Результаты настоящей работы положены в основу проектирования систем снижения токсичности речных теплоходов .
Апробация работы. Основные положения результатов работы были доложены на 5 научных конференциях и семинарах в МГТУ им. Баумана, в МГАВТ, а также на двух международных семинарах в Клайпеде в 1998 году и Москве в 1999 году.
Публикации: основные положения диссертации опубликованы в 7 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы.
Проведение экспериментальных исследований с целью выбо- 24 ра направления по снижению оксидов азота
Исследования способов снижения вредных выбросов ОГ дизелей в эксплуатационных режимах путем усовершенствования системы топли-воподачи, изменения угла опережения и давления впрыскивания топлива были выполнены различными авторами: В. С. Батуриным, В. А. Звоно-вым., Л. Н. Голубковым, Е. Ю. Лерманом, И. В. Леоновым, В. А. Марковым, Л.А. Новиковым., В.Н. Смайлисом, В. И. Толшиным, В.А. Сомовым, В.И. Панчишным, Хачияном А.С., О.Н. Лебедевым, Н. Н. Патрахальце-вым, В. М. Фоминым и многими другими[4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 15, 18, 22, 23, 26, 28, 32, 35, 37, 39, 40, 43, 45, 46, 47, 48, 49, 52, 53, 56 ]. В этих работах показано, что регулирование угла опережения впрыскивания топлива, впрыскивание воды в воздушные трубопроводы или применение водотопливной эмульсий (ВТЭ) являются эффективными средствами для снижения оксидов азота. В ходе исследований было установлено, что оксиды азота образуется в зонах с высокой температурой, которая имеет место в фазе кинетического, а также диффузного сгорания. Наиболее высокая температура возникает в локальных зонах при кинетическом сгорании, когда вероятность возникновения таких зон наиболее высокая[6,11,12, 21, 32,43]. Поэтому, чем больше жесткость процесса сгорания, тем, как правило, больше оксидов азота выделяется с ОГ.
В работе [20] проведено исследование влияния динамической подготовки тяжелого топлива на содержание токсичных выбросов судового дизеля VASA 12V22 HFD. Кавитационная обработка тяжелого топлива позволила снизить его расход на 5-7%, а также концентрацию СО, НС и NOx. В этой работе рассмотрено применение системы рециркуляции ОГ для стационарного дизель - генератора. Рассматривалась возможность работы ДГР в замкнутом объеме. При этом ДГР оснащался тремя системами: генерации кислорода, нейтрализации ОГ, приготовления искусственной газовой смеси. Выполнена структурная параметрическая оптимизация всей системы.
Очистка выбросов дизелей холодной плазмой докладывалась на международном семинаре Л. Новиковым, Б. Зеленовым (1ЩИДИ-ЦН0ИПИМ), г. Санкт-Петербург. В этой работе [33] рассматривается процесс обработки ОГ холодной плазмой, полученной в результате импульсных электрических разрядов. Генератор холодной плазмы был испытан в ЦНИДИ на дизеле 1 ЧН9.5/11 и показана его эффективность в восстановлении NOXH окислении СО и НС.
Методы численного моделирования широко используются для исследования путей создания малотоксичных дизелей. В ЦНИДИ [34], для решения задач модернизации выпускаемых дизелей и при создании новых малотоксичных дизелей, используется программный комплекс для численного моделирования внутрицилиндровых процессов. Програмный комплекс позволяет проектировать основные параметры двигателей и прогнозировать их развитие. Анализ исследований методов снижения оксидов азота показывает что эти методы можно условно разделить на две группы: 1) первичные методы, направленные на уменьшение количества окислов азота, образующихся в процессе сгорания; 2) вторичные методы, связанные с удалением окислов азота из выпускных газов. Первичные методы включают уменьшение максимального давления сгорания за счет задержки впрыскивания; рециркуляцию части вы 16 хлопных газов; впрыск воды в камеру сгорания или использование водо -топливнй эмульсии. Хорошо зарекомендовало себя сочетание уменьшения максимального давления сгорания с использованием эмульгированного топлива, позволяющее в отдельных случаях достичь 30% сокращения образования окислов азота при незначительном (около 3%) увеличении расхода топлива. Это увеличение объясняется уменьшением давления сгорания и изменением механизма высвобождения тепла при наличии в топливе эмульгированной воды.
Рассмотрим более подробно результаты некоторых исследований. Ряд исследований посвящен изменению угла опережения впрыскивания топлива. Специалисты фирмы МАН рассчитали, что при задержке впрыска 10 %-ое снижение уровня NOx вызовет дополнительно 2% увеличение расхода топлива.
Специалисты фирмы "Вяртсиля" сообщают, что для двигателя Vasa 32 потребуется задержка начала впрыскивания на 5-6 , при которой соблюдалось бы соответствие ограничениям ИМО. Рассчитано, что при этой задержке впрыскивания топлива 10% - ное снижение уровня концентрации NOx в ОГ вызывает увеличение расход топлива на 2%. Многие двигателестроительные фирмы применяют задержку начала впрыскивания топлива в качестве основного способа снижения NOx.
Для изменения угла опережения подачи топлива применяются адаптивные системы[38] управления началом подачи топлива. Примером этому служит система изменения начала подачи топлива как функции величины подачи, осуществляемая косыми кромками верхнего торца плунжера топливного насоса высокого давления.
Система рециркуляции отработавших газов дизеля 6418/22.
Метод избирательного каталитического восстановления эффекти вен для уменьшения концентрации окислов азота в том случае, когда удовлетворяются жесткие требования к массовому расходу ОГ и весьма узкие допуски к колебаниям температуры, а также когда не происходит дезактивация катализаторов под влиянием серы в топливе и п отсутст вии присадок в смазочном масле. Установлено, что при использовании метода избирательного каталитического восстановления требуется боль шое количество восстановителей - аммиака или мочевины, в результате чего возникают дополнительные расходы и эксплуатационные трудности. Из анализа результатов этой работы,по мнению специалистов[79]; вышеуказанные проблемы становятся существенной преградой на пути использования методов избирательного каталитического восстановления на судах.
Широкое применение мочевины и аммиака,, несмотря на всю их эффективность. чрезвычайно сложно использовать на речном флоте. Технология селективного каталитического восстановления имеет свои неудобства при использовании ее на судах. С точки зрения экономики система селективного каталитического восстановления приводит повышению расхода топлива. Система громоздкая, требует значительных капиталовложений и эксплуатационных расходов. Трудности также возникают с регулированием подачи аммиака при кратковременных нагрузках. При изменяющихся кратковременных нагрузках просто регулирования подачи недостаточно. Одновременно необходимо удалять часть поданного ранее в катализатор аммиака.
Кроме того, проблемой является доставка мочевины на борт, так как она ядовита. Необходим тщательный контроль за каталитической средой. Реакция проходит нормально только в диапазоне 360 - 420 С. Практически, современную технологию селективного каталитического восстановления нельзя применять во время маневрирования и при изменяющихся кратковременных нагрузках. В связи с этим, дальнейшая работа кафедры в этом направлении была приостановлена.
Технологии сокращения выхода NOx с ОГ связаны с удорожанием стоимости дизелей и с ростом расходов на обслуживание в их эксплуатации. По данным зарубежных исследований близким к нашим оценкам, увеличение стоимости малотоксичной модификации тепловозного дизеля, по сравнению с базовой, может достигать 10000$ .
Анализируя все перечисленные способы снижения токсичности кроме рециркуляции ОГ можно отметить, что они являются конструктивно сложными для внедрения на уже находящиеся в эксплуатации дизели размерностью 18/22. Конструктивная реализация каждого из них возможна лишь при внесении заводских изменений, в том числе и при применении ВТЭ.
Отработавшие газы, идущие на рециркуляцию сокращают процентное содержание кислорода в камере сгорания, в результате чего понижаются скорость сгорания и локальные температуры[30, 35, 41, 59, 81]. Кроме того, в рециркулированном газе содержится много воды. РОГ увеличивает объем остаточных газов в горючей смеси цилиндра, снижая температуру и уменьши временной интервал действия высокой температуры (свыше 2200К). Известно множество различных схем РОГ [71,72, 73, 74].
Механизм действия РОГ может быть объяснен следующим образом. Парциальное давление кислорода в горючей смеси цилиндра падает, но объем &озд.ууа, необходимого для горения топлива (следовательно, местного отношения воздух-топливо) остается постоянным. Таким образом, большая масса газа должна пройти через фронт пламени. Этот увеличенный массовый расход в результате РВГ ведет к большей массе в зоне горения. При том же объеме добавленного тепла и приблизительно той же продолжительности горения в зоне горения в результате получается более низкая температура. Удельная теплоемкость рециркулирующего выхлопного газа больше, чем воздуха. Основным компонентом выхлопного газа является азот, но кроме него здесь содержатся пары воды и двуокись углерода. И вода, и СОг имеют более высокие удельные значения теплоемкости и, таким образом, уменьшают температуру пламени внутри камеры сгорания, снижая NOx . Кроме того, чем меньше кислорода в камере сгорания, тем меньше его соединится с азотом, образующим NOx.
Эффект снижения температуры РОГ основан исключительно на чистом рециркулирующем выхлопном газе. Снижение NOx. которого можно достичь при заданной степени РОГ являющийся прямой функцией отношения воздух-топливо.
Влияние рециркуляции отработавших газов на выбросы оксидов азота
Автором проведена серия исследований на экспериментальном стенде, описанном в главе 2 настоящей диссертационной работы. Данные экспериментов проведены в таблице З.1., остальные в приложениях. Результаты экспериментов обрабатывались с помощью программ для построения экспериментальных кривых[67]. Анализ полученных диаграмм (рис. 14-26) показал, что при работе по нагрузочной характеристике при увеличении нагрузки дизель - генератора с 25% до 100% (с 27,5 кВт до 110 кВт): - происходит увеличение расхода топлива с 9.52 до 26.9 кг/ч; - удельный эффективный расход топлива уменьшается с 346 до 244 г/кВтч, а затем растет до 246 г/кВтч и имеет минимум при 80% -й нагрузке, что объясняется характером изменения индикаторного кпд цикла(РисЛ4.)
При работе дизель-генератора по нагрузочной характеристике с увеличением нагрузки со 25% до 100% удельные выбросы оксидов азота уменьшаются на 51 % (рис. 16), а их концентрация в ОГ увеличивается на 54%. Уменьшение удельных выбросов NOx с ростом нагрузки объясняется тем, что их концентрация растет медленнее, чем мощность двигателя. выбросы сажи (Рис.17.) растут с 1% до 7% ослабления светового потока на номинальной нагрузке. По выбросам сажи новый дизель-генератор не превышает ГОСТ Р 51249-99 и нормы, установленные московским Правительством.
В процессе эксперимента осциллографиро вались давление в шестом цилиндре двигателя и топлива в топливопроводе высокого давления, которые наглядно отражают влияние режимов работы на различные параметры рабочего процесса.
Осциллограммы обработаны с целью получения: времени впрыскивания топлива, периода задержки самовоспламенения, давления в цилиндре, давления топлива, индикаторного кпд. Анализ осциллограмм показывает, что (рис.19.) индикаторный КПД имеет максимум при 80%-й нагрузке и равен 0,365 %.
При увеличении нагрузки период задержки самовоспламенения с 2,7 мс уменьшается до 2,58 мс, а длительность впрыскивания возрастает 2,06 до 5,8 мс. Рост длительности впрыскивания топлива в 2,84 раза объясняется прежде всего ростом расхода топлива в 2,5 раза с 9,5 кг/час до 27 кг/час.
Сопоставление периода задержки самовоспламенения и длительности впрыскивания топлива показывает, что с увеличением нагрузки большая часть топлива сгорает в фазе диффузионного сгорания после достижения максимальных значений давления и температуры сгорания. Это объясняет тот факт, что с увеличением нагрузки удельные выбросы оксидов азота снижаются, ибо образование оксидов азота идет в зоне процесса сгорания с высоким значением скорости нарастания давления.
При сопоставлении осциллограмм на разных нагрузках установлено, что с увеличением нагрузки температура в конце сжатия в цилиндре несколько возрастает. Это связано с подогревом свежего заряда от стенок цилиндра и в результате чего увеличивается температура воздушного заряда в конце такта сжатия.
Анализ экспериментальных данных рабочего процесса в цилиндре и расчетные данные
Как показано ниже, для рассматриваемого дизеля показатель степени при соотношении альфа вместо -0.6 составил -1.1., что подробно обосновано ниже. При моделировании приняты следующие допущения: 1. Процесс сгорания в цилиндре описан законом проф.Вибе И. И. [4.1.] с одной экспонентой. 2. Процессы сжатия и расширения описываются по уравнениями 1-го закона термодинамики, с учетом реальной температуры стенки цилиндра и охлаждающей воды. Задача теплопередачи решается при краевых условиях 3-го рода. 3. Процессы газообмена не рассчитываются. Результаты газообмена и наполнения задаются исходными данными. Коэффициент наполнения рассчитывается по методике, приведенной в гл.2. 4. Зависимость постоянных коэффициентов показателя характера сгорания m и условной продолжительности сгорания (pz в формуле Вибе И.И. определяются по формуле Г. Вошни с дальнейшим уточнением.
При расчете давления и температуры в цилиндре дизеля использованы известные уравнения теплопередачи, при этом коэффициент теплоотдачи от газа к стенке определялся по формуле В. Семе-нова[25, 42, 45, 54]. В результате расчета определялась результирующая температура цикла и для известной температуры охлаждающей воды внутреннего контура двигателя определялась средняя температура стенки втулки цилиндра по известному уравнению: (4Z14I),-[T-.J Настоящая методика является инженерной, т.е. предполагается, что по данным эксперимента определены параметры дизеля без рециркуляции отработавших газов: be, pmax, Tgi и другие. Путем обработки экспериментальных индикаторных диаграмм определены параметры тепловыделения в цилиндре.
Методика разработана ранее на кафедре СЭУ МГАВТ, а автором в методику внесены следующие дополнения: 1. Расчет параметров рабочего цикла дизеля, индикаторного КПД и температуры газов перед турбиной производится на основании первого закона термодинамики путем расчета рабочего процесса в зависимости от угла поворота коленчатого вала с учетом изменения состава ОГ при РОГ и изменения теплоемкости смеси в цилиндре. Это позволило точнее определить температуру в цилиндре и коэффициент избытка воздуха для дальнейшего сравнения результатов расчета и эксперимента.
Задача эксперимента состояла в том, чтобы на этапе расчета приближенно определить увеличение расхода топлива вследствие рециркуляции ОГ При решении задачи величина показателя сгорания т, подбирается на исходном режиме, без рециркуляции, таким образом, чтобы расчетные данные соответствовали данным эксперимента. Величина продолжительности сгорания (pz определяется путем обработки индикаторных диаграмм, снятых при эксперименте без рециркуляции ОГ.
Известно, что рециркулируемые газы в отличие от свежего заряда, имеют трехатомную структуру, что приводит к увеличению теплоемкости смеси РОГ и воздушного заряда, поступающих в цилиндр две.
Исследования на математической модели определили влияние доли рециркуляции на продолжительность процесса сгорания по Ви-бе И.И. и Г Вошни. На рис.28, показаны результаты расчета влияния показателя степени при относительном значении коэффициента избытка воздуха а, в формуле Г. Вошни, на Рмах с целью определения оптимального значения.
Погрешность при расчете рмах в зависимости от показателя степени при коэф-те а в формуле Вошни Как видно на рис. 28. погрешность предложенной модели, определяемая по сопоставлению Рмах, минимальна при показателе, равном =1.085.
Расчет проводили как для обычного режима работы дизеля, так и для режима с рециркуляцией ОГ по нагрузочной характеристике. Оказалось, что при работе дизеля по нагрузочной характеристике на всех режимах этот показатель степени составляет приближенно 1,1. Ступенчатая схема расчета (программа приведена в прил.1): 1. задается мощность на режимах работы (100%,75%,50%,25%), и цикловая подача топлива. 2. определяется коэффициент избытка воздуха щ. 3. ведется расчет рабочего процесса, в ходе которого определяется мощность цикла. 4. сравниваются заданная и рассчитанная мощности: при их несовпадении с заданной погрешностью (0.5%) изменяется цикловая подача топлива и происходит переход к п.2. В результате проведенных расчетов при переходе на режим рециркуляции ОГ картина протекания процесса в цилиндре изменялась: максимальное давление в цилиндре уменьшалось вследствие уменьшения коэффициента избытка воздуха ось а расход топлива увеличивался.
