Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Существующие ограничения вредных выбросов ог сдвс, способы и анализ методов снижения
1.1. Современные требования по ограничению вредных выбросов ОГ судовых дизелей
1.2. Анализ способов снижения токсичных выбросов судовых дизелей
1.2.1. Основные способы снижения токсичных выбросов 15
1.2.2. Нейтрализация и фильтрация отработавших газов 23
1.2.3. Рециркуляция отработавших газов
1.3. Экспериментальные исследования с целью выбора направления 32 исследования
1.4. Анализ способов регулирования РОГ
1.5. Задачи исследований 43
Выводы по первой главе 44
ГЛАВА 2. Экспериментальная установка на базе судового дизеля 64 18/22. методика проведения эксперимента
2.1 Состав экспериментального стенда 46
2.2. Имитация работы дизель - генератора ДГР 100/750 с двигателем 18/22 по винтовой характеристике
2.3. Система рециркуляции отработавших газов дизеля 6418/22 50
2.3/(Описание фильтра нейтрализатора. 51
2.4. Методика испытаний и обработка полученных результатов 53
2.5. Приборы и аппаратура для измерений параметров работы дизеля
2.6. Приборы для замеров компонентов в ОГ дизеля 59
2.7. Методика оценки доли отработавших газов идущих на рециркуляцию
Выводы по второй главе з
Глава 3. Анализ экспериментальных исследований дизеля 64 18/22 по винтовой характеристике с комбинированной системой комплексного снижения вредных выбросов .
3.1. Токсичные выбросы судового дизеля 64 18/22 при работе по винтовой характеристике.
3.2. Исследование работы судового дизеля 64 18/22 с системой частичной рециркуляции ОГ .
3.3. Исследование влияния комбинированной системы на ком- 85
плексной снижение токсичности ОГ судового дизеля 64 18/22.
3.4. Исследование параметров судового дизеля при различной доли рециркуляции ОГ
3.5. Результаты экспериментального исследования влияния рециркуляции ОГ при охлаждении рециркуляционного трубопровода Выводы по третьей главе 97
Глава 4. «Метод расчетного анализа влияния рециркуляции отработавших газов на показатели дизеля и результаты расчетных исследований»
4.1. Задачи расчетного исследования снижения оксидов азота. 99
4.2. Метод расчета рабочего процесса ДВС 100
4.3. Приближенная оценка выбросов NOx по величине хртах
4.4. Методика расчетной оценки е кох при рециркуляции ОГ 110
4.5. Расчет параметров трубопровода рециркуляции ОГ
4.6. Влияние режимов эксплуатации судов на выбор параметров 118 системы рециркуляции отработавших газов
4.7. Закон регулирования рециркуляции при изменении режима ра- 125 боты пропульсивного дизеля
Выводы по третьей главе 128
Заключение и выводы 130
Список литературы
- Нейтрализация и фильтрация отработавших газов
- Имитация работы дизель - генератора ДГР 100/750 с двигателем 18/22 по винтовой характеристике
- Исследование работы судового дизеля 64 18/22 с системой частичной рециркуляции ОГ
- Приближенная оценка выбросов NOx по величине хртах
Нейтрализация и фильтрация отработавших газов
Исследования снижения вредных выбросов ОГ дизелей в эксплуа тационных режимах путем применения различных способов усовершен ствования системы топливоподачи, изменения угла опережения и измене ния давления впрыскивания топлива были ученными: В. С. Батуриным, В. А. Звоновым., Гладковым Л. Н. Голубковым, Е. Ю. Лерманом, И. В. Леоновым, В. А. Марковым, Л.А.Новиковым, В.Н. Смайлисом, В. И. Толшиным, В.А. Сомовым, Ю.Г. Ищуком, О.Е. Жегалным, Н.И. Худо вым, В.И. Панчишным, А.С. Хачияном, О.Н. Лебедевым, Н.Н. Патрахаль цевым, В. М. Фоминым и многими другими [3,4,5,6,8,9,12,13,16,20,24,25,32,34,40,43,45,48,52,54,55,56 В их 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 образуются в зонах с высокой температурой, которые имеют место в фазах кинетического и диффузного сгорания. Наиболее высокая температура возникает в локальных зонах при кинетическом сгорании, когда вероятность возникновения таких зон наиболее высокая. Поэтому, чем больше жесткость процесса сгорания, тем, как правило, больше оксидов азота выделяется с ОГ [5,12,13,23,40,52].
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 сводятся к уменьшению максимального давления сгорания за счет задержки впрыскивания топлива; рециркуляции части отработавших газов на впуск; впрыска воды в камеру сгорания или подачи ее на впуск двигателя и использования водо-топливной эмульсии. Хорошо зарекомендовало себя сочетание уменьшения максимального давления сгорания с использованием эмульгированного топлива, позволяющее в отдельных случаях достичь 30%-ного сокращения образования окислов азота при незначительном (около 3%) увеличении расхода топлива. Увеличение расхода топлива объясняется понижением давления сгорания и изменением механизма высвобождения теплоты в процессе сгорания при наличии в топливе эмульгированной воды.
Рассмотрим более подробно результаты исследований изменения угла опережения впрыскивания топлива.
Специалисты фирмы МАН рассчитали, что при задержке впрыска топлива достигается 10%-ое снижение выбросов NOx при дополнительном 2%-ом увеличении расхода топлива [21].
Специалисты фирмы "Вяртсиля" сообщают, что для двигателя Vasa 32 потребуется задержка начала впрыскивания топлива на угол поворота кривошипа в 5-6 ПКВ с тем, чтобы соблюдалось соответствие ограничениям ИМО по выбросам NOx. Показано, что при задержке впрыскивания топлива 10% - ное снижение NOx вызывает дополнительное увеличение расхода топлива на 2%. Многие двигателестроительные фирмы применяют способ регулирования начала впрыскивания топлива в качестве основного способа снижения NOx Для изменения угла опережения подачи топлива применяются адаптивные системы управления. Примером этому является система изменения начала подачи топлива как функция величины подачи, осуществляемая по средствам скошенных кромок верхнего торца плунжера топливного насоса высокого давления.
В качестве широко используемых для этих целей систем автоматического управления могла бы служить система VIT (Variable Injection Timing), которая по заданной программе изменяет угол опережения и продолжительность топливоподачи дизеля с топливными насосами клапанного распределения. Такая система внедрена на двигателях Зульцер RLB и других. Муфты автоматического изменения угла опережения подачи топлива [46], в зависимости от ряда параметров, предложены А.С. Лышевским, М.К. Овсянниковым, В.А. Петуховым, Н.Н. Патрахальцевым и другими. Большинство схем было создано для повышения экономичности дизелей при работе на различных нагрузочных режимах.
МГТУ им. Баумана предложен топливный насос высокого давления с автоматическим регулированием угла опережения подачи топлива в зависимости от давления наддува, показавший при испытаниях высокую эффективность. Эта система создавалась с целью снижения эмиссии оксидов азота тракторного дизеля [37].
К числу перспективных систем управления процессом топливоподачи следует отнести электронные топливные системы и цифровые адаптивные топливные системы дизелей. В частности, аккумуляторная топливная система с электрогидравлической форсункой, топливная система с импульсными источниками питания, включают микропроцессор, управляющий давлением топливоподачи и электромагнитным клапаном, управляющим в свою очередь началом и концом топливоподачи.
Имитация работы дизель - генератора ДГР 100/750 с двигателем 18/22 по винтовой характеристике
При замерах рабочих параметров ДВС использованы штатные приборы: - термометр для замера температуры воды на выходе из дизеля; - термометр для замера температуры масла на выходе из дизеля; - датчик давления масла на выходе из дизеля; - электрический тахометр; - термопарный комплект ТКД-1 на выхлопных коллекторах ОГ цилиндров. Для измерения дополнительных параметров работы дизеля использованы датчики и измерительная аппаратура: - датчики температуры воды на входе и выходе контура охлаждения; - расходомер воды объемного типа (табл. 2.3.); - механические весы для измерения расхода топлива весовым способом (табл. 2.3.); - стробоскопический тахометр, для уточнения показаний штатного электрического тахометра (табл. 2.3.); - комплект термопар для замера температур в трубопроводах ОГ и рециркуляционном трубопроводе, температур входа и выхода Ф-Н; - U-образный манометр, для замера противодавления создаваемого Ф-Н и давлений, в соответствующих точках, трубопровода рециркуляции ОГ.
Запись осциллограмм рабочего процесса производилась с помощью пъезодатчика ДО-73 для регистрации давления в камере сгорания, установленного на 6-й цилиндр, с основными параметрами:
Диапазон измеряемых давлений, МПа 0-20 Средняя чувствительность в заданном диапазоне пКл / МПа 300 Нелинейность статической характеристики не более ± 1% Собственная частота, кГц не менее 50 і -а Сопротивление изоляции, Ом не менее 10 Рабочий диапазон температур, С 0 - 300 Давление охлаждающей жидкости, МПа 0.2 Датчик установлен на место индикаторного крана и его чувствительный элемент посредством разъема типа "бутон" через коаксиальный кабель соединен с усилителем заряда П-142, от которого сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь ЭВМ для записи на жесткий диск. Датчик типа Т6000 регистрации давления в топливопроводе высокого давления. Основные параметры датчика типа Т6000: Диапазон измеряемых давлений, бар 0 - 6000 Средняя чувствительность, пКл / бар 2,1+0.3 Нелинейность статической характеристики не более ± 0.5% Собственная частота, кГц не менее 200 Сопротивление изоляции, Ом не менее 1013 Рабочий диапазон температур, С - 60 - +120
Датчик посредством специального переходника с конической резьбой вмонтирован в место стыковки топливопровода высокого давления с форсункой 6-го цилиндра. Сигнал от датчика по коаксиальному кабелю подается на зарядовый усилитель П-142 и далее сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь ЭВМ для записи на жесткий диск.
Регистрация частоты вращения осуществляется от штатного навесного тахогенератора. Сигнал от датчика через делитель напряжения поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) платы ЛА-2 и далее на персональную ЭВМ (ПЭВМ). Датчик верхней мертвой точки (ВМТ) для 6-го цилиндра установлен на торце фланца коленвала ДВС. Датчик ВМТ представляет собой электронное устройство, состоящее из высокоточного генераторного датчика, настроенного на частоту 860 кГц, триггера Шмидта, усилителя тока и резисторного делителя. Резисторный усилитель обеспечивает согласование уровня сигнала по напряжению с требованиями к уровню входного сигнала на АЦП для ввода ЭВМ.
Датчик хода рейки представляет собой устройство для преобразования линейного перемещения рейки в электрический сигнал для регистрации на ЭВМ. Это осуществляется посредством механического узла и потенциометра, установленных в плоскости хода топливной рейки.
Исследование работы судового дизеля 64 18/22 с системой частичной рециркуляции ОГ
Осциллограммы процесса топливоподачи от угла поворота коленчатого вала на режимах 75%, 50% и 25% от Ре для дизеля 6418/22 Обработка осциллограмм давления в топливопроводе высокого давления (рис.3.7.) показала, что с уменьшением нагрузки и частоты вращения дизеля с 83 кВт (680 мин-1) до 27,5 кВт (475 мин-1) происходит увеличение периода задержки самовоспламенения топлива Т\ с 0,9мс до 1,5мс. Величина относительного изменения периода задержки самовоспламенения при нагрузках 83кВт и 27,5кВт по данным осциллограмм равна 1,66. Расчетная величина относительного изменения ТІ, полученная по формуле акад. Н.Н. Семенова, равна 1,22.
Рнв - давление в цилиндре в момент начала подачи топлива; Тнв - температура в цилиндре в момент начала подачи топлива; E/R - для дизелей принимается равной 4650; А, п - постоянные, характерные для каждого конкретного дизеля (п=1,19). С уменьшением нагрузки и частоты вращения дизеля происходит с одной стороны увеличение давления впрыскивания топлива и, следовательно, увеличение количества топлива поданного и испарившегося до ВМТ. С другой стороны происходит уменьшение действительного угла опережения подачи топлива в цилиндр, приводящего к уменьшению количества топлива поданного и испарившегося до ВМТ. В целом с увеличением нагрузки и частоты вращения величина Хртах снижается. Характер изменения Хртах с изменением нагрузки для среднеоборотного дизеля идентичен с характером изменения Хртах для высокооборотного дизеля [25], причем для высокооборотного дизеля с изменением нагрузки Хртах меняется более интенсивно по сравнению со среднеоборотным дизелем.
При испытаниях дизеля 64 18/22 по винтовой характеристике замерялись основные параметры: максимальное давление в цилиндре дизеля, расход топлива, коэффициент избытка воздуха, температура ОГ и др., для дальнейшего их сравнения с параметрами процесса в цилиндре при рециркуляции ОГ.
В разделе 3.1. было установлено, что удельные выбросы МОх=12г/кВт ч судового дизеля 64 18/22, работающего по винтовой характеристике, находятся на границе существующих норм ГОСТ Р-51 249-99 (при расчете суммарных выбросов NOx с учетом весовых коэффициентов для всей винтовой характеристике).
Для снижения выбросов NOx в ОГ на дизеле 64 18/22 установлена и испытана экспериментальная система частичной рециркуляции (РОГ), описание которой дано в гл. 2.
На рис.3.9. и рис.3.10 представлены зависимости концентрации и удельных выбросов NOx дизеля, работающего по винтовой характеристике, оснащенного системой РОГ.
Экспериментальная зависимость удельных выбросов NOx от частоты вращения дизеля РОГ (с долей рециркуляции 0,09) и без РОГ Из рис.3.9. и рис.3.10. видно, что применение системы РОГ приводит к снижению концентрации и удельных выбросов NOx в ОГ во всем диапазоне рабочих нагрузок дизеля. Удельные выбросы NOx при доле рециркуляции 0,09 уменьшаются: 110кВт (100% Ре) на 30%, 75%Ре на 25%, 50% Ре на 19% и 25%Ре на 10%, по сравнению с дизелем, необорудованным системой РОГ. Полученные результаты показывают, что при рециркуляции ОГ с долей 0,09 среднее значение удельных выбросов NOx-9 г/кВт ч лежит ниже величины NOx установленной ГОСТ Р-51 249-99 (Ж)х=12г/кВт ч) для среднеоборотного дизеля 64 18/22.
Снижение NOx при РОГ объясняется замещением части свежего воздушного заряда в цилиндре дизеля отработавшими газами, уменьшающими процентное содержание кислорода в камере сгорания. Уменьшение концентрации кислорода приводит к уменьшению скорости сгорания, которая зависит от концентрации топлива и окислителя. В результате Ттах и Ртах снижаются и процесс сгорания переносится на линию расширения.
Приближенная оценка выбросов NOx по величине хртах
Как показано в главе 1 настоящей работы, рециркуляция отработавших газов, как один из способов снижения оксидов азота NOx, широко применяется на автотракторных дизелях.
Получены зависимости удельного расхода топлива и NOx [36] от степени рециркуляции для дизелей различного типа, как при подаче на впуск неохлажденных отработавших газов - "горячая рециркуляция", так и при их охлаждении - "холодная рециркуляция".
Экспериментальные данные фирмы Recardo свидетельствуют, что при доле рециркуляции от 0,1 до 0,3 происходит снижении эмиссии NOx автомобильного дизеля на 57%. Как показали экспериментальные исследования по 13 ступенчатому циклу отечественного автотракторного дизеля Д240, применение-системы рециркуляции позволило получить снижение NOx на 30%.
В исследованиях отечественных и зарубежных авторов также показано, что при разработке системы рециркуляции отработавших газов необходимо учитывать режимы работы дизеля.
Фирмой БОШ разработана система электронного управления рециркуляцией горячих отработавших газов. В частности, используется такой закон управления, при котором с уменьшением нагрузки дизеля доля рециркуляции Хр увеличивается.
Отметим, что перечисленные и другие результаты исследований во многом позволяют определить направление в совершенствовании конструкции системы рециркуляции отработавших газов, а именно: необходимость подавления продуктов неполного сгорания, повышающихся с увеличением доли рециркуляции, и, следовательно, выбора подходящего закона регулирования рециркуляции с уменьшением нагрузки.
Однако перечисленные результаты сделаны для высокооборотных автотракторных дизелей с номинальной частотой вращения 2000 - 2500 мин 1, работающих по 13-х ступенчатому циклу. Эти рекомендации без дополнительного исследования не могут быть использованы для среднеоборотных судовых дизелей с частотой вращения 500 - 750 мин"1.
Режимы работы судового дизеля значительно отличаются от режима работы автотракторного дизеля, в частности, меньшим количеством режимов разгона, характером неустановившихся режимов и т.д. Для образования NOx в судовых дизелях с низкой частотой вращения имеется больше времени, чем в автотракторных дизелях, а также отсутствуют вихревые потоки заряда, которые имеются в камере сгорания автотракторного дизеля. Это приводит к тому, что выбросы NOx среднеоборотного и высокооборотного дизеля различаются в два раза и они выше для среднеоборотного дизеля.
Сказанное выше приводит к необходимости обоснованного выбора системы рециркуляции отработавших газов и закона регулирования для судового среднеоборотного дизеля. Для этой цели необходима разработка методики расчета рабочего процесса с оценкой удельного эффективного расхода топлива be и удельных выбросов NOx при рециркуляции ОГ.
При анализе возможности уменьшения токсичных выбросов с помощью системы комплексного снижения токсичности судовых дизелей, в первую очередь, NOx, необходим метод расчета рабочего процесса при рециркуляции отработавших газов.
Среди методов расчета рабочего процесса, индикаторных и эффективных показателей дизелей, одно из ведущих мест занимает метод малых отклонений, разработанный в [2]. Метод основывается на том, что на основании физических и эмпирических зависимостей, описывающих совместную работу дизеля и турбокомпрессора, составляются уравнения в малых отклонениях, по которым производится расчет параметров рабочего процесса и показателей дизеля.
В существующих методах расчета, как правило, используются зависимость г\\ (а і), заданная в виде кривой, или эмпирические формулы (например, формула Алешина и других авторов).
Метод малых отклонений дает хорошие результаты в оценке ГІ В ограниченном диапазоне изменения параметров. Он удобен для реализации на ЭВМ, в том числе с малым быстродействием, т.к. система уравнений в этом случае линеаризуется и упрощается. Однако реальные зависимости для моделирования рабочего процесса нелинейны и их линеаризация приводит к относительно большим погрешностям.
Поэтому для исследования процессов в цилиндре, учитывая большие возможности современных ЭВМ с большим быстродействием, целесообразно использовать как инженерные методы, основанные на результатах испытаний, так и современные методы исследования с описанием тепловыделения в цилиндре полуэмпирическими зависимостями, а процессы сжатия и расширения - с помощью 1-ого закона термодинамики.
Существуют различные методы расчета рабочего процесса в цилиндре дизеля с моделированием процесса тепловыделения, которые применяются для расчета параметров в цилиндре, давления и температуры, использующие полуэмпирическое уравнение сгорания И.И. Вибе с построением закона тепловыделения одной, двумя или тремя экспонентами, метод моделирования процесса сгорания в дизеле с учетом характеристик подачи и распыливания топлива: (ЦНИДИ, МГТУ им. Баумана, ХПИ, Военно-Морской Академии, метод кафедры СЭУ и А МГАВТ и другие). Эти методы имеют сходство в использовании 1-ого закона термодинамики, уравнений теплообмена газа со стенками цилиндра и законов тепловыделения.
Задачей теоретического исследования является прогнозирование изменения эффективного расхода топлива при доле рециркуляции отработавших газов, которая позволяет удовлетворить требованиям снижения NOx. В конечном счете необходимо удовлетворить требования к заданному содержанию NOx при минимальном увеличении расхода топлива. Расчет позволяет избежать усложнения экспериментальной установки системой частичной рециркуляции отработавших газов с различными конструкционными параметрами, или необходимостью проведения экспериментальных исследований на режимах, отличающихся от стандартных (эффект «тяжелого» или «легкого» винта и др.)
Настоящий метод, разработанный в МГАВТ, основан на использовании известных уравнений тепло и массообмена и тепловыделения по зависимостям Вибе, применен для малых отклонений параметров дизеля от исходного (базового) режима. На исходном режиме путем сравнения данных экспериментов и расчетов уточняются коэффициенты в формулах тепловыделения и другие параметры.
