Введение к работе
Актуальность проблемы. Конкурентоспособность речного транспорта России во многом зависит от расходов на топливо и масло, составляющих более 20 % общих затрат на содержание судов. К числу энергосберегающих технологий, используемых на транспорте, следует отнести работу дизелей на оптимальных режимах (с максимальной экономичностью) и поддержание дизелей в хорошем техническом состоянии. Последнее в условиях перехода России от тоталитарной экономики к рыночной выполнить очень непросто. Например, в 1994 г. п Западно-Сибирском речном пароходстве при сокращенных средствах на ремонтные работы не было пи одного подразделения, которое бы серьезно занималось контролем технического состояния судовых энергетических установок. Данная ситуация подтверждает актуальность задачи настоящего исследования, посвященного разработке метода поддержания экономичности дизелей при ухудшении их технического состояния до ремонта.
Цель исследования - повышение э4>фективности технической эксплуатации судовых дизелей па основе их перевода на водотопливиую эмульсию дизельного топлива.
Методика. Работа носит расчетно-экспериментальный характер. В опытах использовалась современная измерительная аппаратура, а расчеты выполнялись на компьютере.
Достоверность и обоснованность тучных результатов исследований достигается следующими мероприятиями: разносторонними лабораторными испытаниями; проверкой адекватности разработанных математических моделей данным экспериментов; получением положительных эффектов использования предлагаемого метода.
Научная новизна работы определяется выполненными автором исследованиями и теоретическими обобщениями их результатов. В рамках решаемой автором проблемы:
дана математическая модель тепломассообмена капли эмульсии в газовой среде с параметрами, превышающими критические для углеводородов топлива;
дана математическая модель рабочего процесса многоцилиндрового дизеля, учитывающая износы ЦПГ, закоксовывание распылителей и разрегулировку топливных насосов;
получены новые экспериментальные результаты по развитию испаряющихся струй водотопливной эмульсии и но сгоранию водотопливной эмульсии в дизеле;
получено экспериментальное подтверждение, что экономичность дизеля па эмульсии дизельного топлива повышается лишь при заметных отклонениях от оптимальных регулировок и закоксовывашш распылителей, оставаясь неизменной у дизеля с качественно протекающим процессом;
получены новые экспериментальные результаты по впрыскиванию топлива и эмульсии плунжерными парами с различной гидравлической плотностью.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель, численный метод и результаты исследования процесса тепломассообмена капель ВТЭ при значениях давления и температуры газовой среды, превышающих критические параметры для топлива.
-
Результаты исследования длины видимой части струи безводного дизельного топлива и его ВТЭ при значениях давления и температуры газовой среды, превышающих критические параметры для топлива.
-
Характеристики сгорания безводного дизельного топлива и его ВТЭ, полученные в результате обработки лабораторных испытаний судового дизеля 6ЧН18/22 по нагрузочной и винтовой характеристикам.
-
Математическая модель рабочего процесса многоцилиндрового дизеля, работающего на безводном топливе или его ВТЭ, учитывающая техническое состояние ЦПГ и топливной аппаратуры дизеля, а также результаты вычислительного эксперимента с данной моделью.
-
Результаты испытаний дизеля 4NVD26 с нарушенной регулировкой на безводном дизельном топливе и его ВТЭ.
6. Результаты испытании дизеля 6ЧН18/22 с распылителями с
уменьшенным диаметром распиливающих отверстий на безводном дизель
ном топливе и его ВТЭ.
7. Результаты сравнительного исследования процесса впрыскивания
топлива и эмульсии плунжерными парами различной гидравлической плот
ности.
Практическая ценность работы определяется главным образом внедрением основных научных результатов в практику эксплуатации судов речного флота. В результате использования водотопливной эмульсии дизельного топлива в судовых дизелях с разрегулированной топливной аппаратурой достигается снижение эксплуатационных расходов топлива, а также термических и механических нагрузок на детали ЦПГ.
Реализация. Научные выводы и практические рекомендации диссертационной работы реализованы в Западно-Сибирском речном пароходстве и в Новосибирской государственной академии водного транспорта (при чтении ряда дисциплин судомеханикам). В настоящее время трудно говорить об экономическом эффекте результатов работы, однако можно заметить, что по АО "ЗСРГР расчетный эффект составил около 20 млн.руб. на одно судно пр. 428.
Апробация. Основные результаты работы проверены на практике. По мере разработки ее содержание докладывалось и обсуждалось на научных конференциях в НГАВТ (НИИВТ).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 научно-технических статьях и в одном учебном пособии, предназначенном для студентов судомеханической специальности НГЛВТ.
Объем. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, объемом 129 стр. машинописного текста, 41 рис., 6 табл. и приложения с копией справки о внедрении результатов диссертационной работы. Список использованных источников содержит 112 наименований.
Во введении изложена проблема повышения эффективности технической эксплуатации изношенных дизелей речных судов, показан метод ее решения.
Впервой главе рассматривается влияние технического состояния деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и топливной аппаратуры на экономичность дизелей.
При износе ЦПГ из-за утечек рабочего тела из цилиндра уменьшается коэффициент избытка воздуха при сгорании, и, следовательно, снижается индикаторный КПД. Износ плунжерных пар, закоксовывание распылителей, неверная установка угла опережения впрыскивания также приводят к изменению процесса сгорания и понижают КПД дизеля. Оптимизируя процесс сгорания, можно уменьшить тепловые потери и, тем самым, скомпенсировать снижение КПД обусловленное ухудшением технического состояния дизеля.
Анализ известных методов интенсификации горения показывает, что для сохранения экономичности изношенных дизелей на приемлемом уровне целесообразно в двигателях речных судов использовать водотопливную эмульсию дизельного топлива. Этот способ на речном флоте отчасти уже освоен и доказал свою эффективность при сжигании в дизелях тяжелых топлив. Он не создает трудностей при эксплуатации, не требует дополнительной подготовки экипажа. Установки для получения ВТЭ моторного и дизельного топлив конструктивно проработаны и могут быть изготовлены в условиях судоремонтного завода.
Однако прямые доказательства того, что использование эмульгированного дизельного топлива обеспечивает заметное увеличение экономичности дизелей, имеющих невысокое техническое состояние, отсутствуют. Таким образом, необходимость в экспериментальном подтверждении эффекта от использования ВТЭ в дизелях, имеющих невысокое техническое состояние, не исчезла
Во второй главе приведена математическая модель тепломассообмена капли ВТЭ в газовой среде с высокими давлениями и температурами. Весь исследуемый процесс разделен на три периода. В течение первого -капля эмульсии прогревается до температуры насыщения воды, а с поверхности капли испаряется топливо. Во втором периоде образующиеся
внутри капли водяные пары диффундируют к поверхности и, прорывая ее, выбрасываются в газовую среду, захватывая с собой часть топлива. Продолжается испарение топлива с поверхности капли. Температура капли в течение всего периода остается постоянной. Третий период начинается с момента, когда вся вода в эмульсии превратится в пар. Продолжается выброс из капли водяного пара и топлива, испарение топлива с поверхности. Температура капли по ходу процесса возрастает.
Баланс энергии капли описывается уравнениями: в первом периоде
dHf dH dQ, , dmf
во втором периоде
dx dx dx dx
dO, dm dmf
в третьем периоде
dx w dx ' dx
dx dx dx dx
(3)
где Ht - энтальпия топлива в капле эмульсии, кДж;
Hw - энтальпия воды, содержащейся в капле эмульсии, кДж; Hwj - энтальпия водяного пара, кДж. Qfconv " количество теплоты, подъеденной к капле ВТЭ от газа, кДж;
ha - удельная энтальпия топливных паров, образующихся на поверхности капли
ВТЭ.кДж/кг; hf -удельная энтальпия жидкого топлива при температуре капли t^ кДж/кг; \/Л' УДельдая энтальпия водяного пара, кДж/кг, тс- масса топлива в капле ВТЭ, кг; maus.f - масса выбрасываемого топлива, кг, maus. d ' масса выбрасываемого пара, кг; dmvv- изменение массы воды за счет парообразования, кг. Lv - удельная теплота парообразования воды, кДж/кг, Lf - удельная теплота парообразования топлива при fj> кДж/кг; (Lf = hjj - hf). t-время, с. Предполагается, что массы топлива и пара, выбрасываемые из-под поверхности капли, связаны соотношением:
«W=l«'m«^ (4)
где kaus- опытный коэффициент.
Условно считаем, что все частички пара образуются в центре капли ВТЭ и затем движутся к ее поверхности, подчиняясь закономерностям молекулярной диффузии. Тогда массовая скорость выброса водяных паров из капли определяется уравнением:
dZ^d , д%
D.
(5)
+
4f\
шА. = -т
где rrtjr - масса калли, кг;
Dwdf - коэффициент диффузии пузырьков водяного пара в топливе, м2/с;
w(j - массовая доля водяного пара; г - радиус капли, м.
Для проверки адекватности модели эксперименту использованы опытные данные, полученные В.Н.Марченко при испарении капель моторного топлива и его эмульсии с водой в бомбе постоянного объема Из рис.1 видно, что результаты расчетов (кривые) и опытов (точки) согласуются вполне удовлетворительно.
Вычислительный эксперимент показал, что капли эмульсии испаряются дольше аналогичных капель безводного топлива Подогрев эмульсии до 200 С сокращает продолжительность испарения капли ВТЭ, но она все равно остается больше, чем продолжительность испарения капли безводного топлива Сильное влияние на скорость испарения оказывает турбулентность газовой среды. Так, длительность испарения капель эмульсии с начальными диаметрами более 20 мкм в турбулизированном газе в 7-20 раз меньше, чем в спокойном. При анализе Материалов расчетов обращает внимание, что масса испарившегося топлива значительно меньше массы пара и топлива, выбрасываемого из-под поверхности капли. С повышением давления газа доля испарившегося с поверхности топлива возрастает.
0,4 0,8 Х.с 0,4 0,8 Т,с
Рисі. Зависимость отношения текущего диаметра капли к начальному от вре-мепи при различных начальных диаметрах (a:pt = 4 МПа, tj = 500 С) и давлениях {б: я0=700мкм, f,=500C): 7-в0=320икм; .2-я,, =560 мкм; ^-Я0=700мки; 4pi=AUlh; 5-pj=8MIIa
0,4
а) а/а.
4 "
\5
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию некоторых особенностей макросмесеобразования и сгорания эмульсии дизельного топлива.
Рис. 2 Динамика развития в среде азота давлением 4 МПа и температурой 900 К струй (й) безводного дизельного топлива и (б) ВТЭ с „=0,30 (диаметр распиливающего отверстия - 0,25 мм)
В бомбу постоянного обі>ема, заполненную азотом и представляющую собой цилиндр, торцы которого закрыты кварцевыми стеклами, производилось единичное впрыскивание топлива или эмулм'ии. Испаряющаяся или изотермическая топливная струя снималась на кинопленку скоростной кинокамерой. Часть обработанных кинокадров представлена на рис. 2. Вида-мая часть струи эмульсии значительно длиннее струи безводного топлива. Больше и объем, занимаемый капельками эмульсии. Заметное испарение вершины струи, проявляющееся в ее разрывах, у эмульсии наступает позже.
Эксперименты в бомбе также показали, что состоящая из капель видимая часть струй, распространяющихся в азоте с температурой 400 К (неиспаряющаяся, или изотермическая струя) и в азоте с температурой 900 К (испаряющаяся струя), заметно различаются. Испаряющаяся струя короче изотермической и практически лишена оболочки из мелких капель, что объясняется интенсивным испарением капель, находящихся в оболочке и вершине струи.
В опытах с испаряющимися струями безводного топлива или его ВТЭ длина струи Lstr сначала возрастает, а затем, перейдя через максимальное значение, уменьшается (рис.2). Это свидетельствует об испарении головной части струи. При прочих равных условиях длина видимой части струи безводного топлива заметно меньше Lst водотопливной эмульсии. Это объясняется главным образом тем, что при одинаковой температуре удельная энтальпия водяных паров значительно больше, чем паров топлива, а следовательно, для испарения воды требуется затратить гораздо больше теплоты.
Характеристики сгорания топлива и эмульсии рассчитывались по индикаторным диаграммам, снятым на дизеле 6ЧН18/22. Для этого дизель был оборудован необходимой аппаратурой. Эмульсия приготавливалась малогабаритной установкой, смонтированной на дизеле.
При анализе зависимостей относительной скорости сгорания от угла поворота коленчатого вала (рис.3) прежде всего обращает на себя внимание пульсирующий характер полученных кривых, что совпадает с утверждением АИ. Каминского, ГАКонкса и др. о том, что в дизеле ЧН18/22 с открытой камерой сгорания "наблюдаются неоднократные замедления и ускорения горения". Можно также констатировать факт увеличения амплитуды пульсаций относительной скорости сгорания эмульсии по сравнению с безводным топливом. С уменьшением нагрузки при работе по обеим исследованным характеристикам (винтовой и нагрузочной) относительные скорости сгорания и амплитуды их пульсаций возрастают. Вероятно, это объясняется увеличением соотношения "воздух-топливо" и ухудшением качества распыливания.
В полученных кривых относительной скорости сгорания весьма затруднительно выделить фазы диффузионного и кинетического сгорания.
Последние легко прослеживаются лишь на номинальном режиме работы и перегрузке. Из-за увеличенной на всех режимах работы задержки воспла-
фОЯіСВ
Рис.3. Зависимость относительной скорости сгорания топлива от угла поворота коленчатого вала на режиме 75 % мощности дизеля 6ЧН18/22 по винтовой характеристике:
— - безводное дизельное топливо "Л"; - его ВТЭ с %w = 0.13
менения водотопливной эмульсии первый пик скорости сгорания (который и принято относить к кинетическому сгоранию) у эмульсии выше, чем у безводного топлива. Последующие пульсации скорости позволяют предположить, что на частичных нагрузках кинетическое сгорание эмульсии имеет место и в дальнейшем, сочетаясь с диффузионным сгоранием. Вероятно, это объясняется определенным соотношением скоростей испарения, диффузии паров и скоростью их прогрева.
Следует отметить, что в ходе испытаний дизеля 6ЧН18/22 на безводном топливе и его ВТЭ по нагрузочной и винтовой характеристикам расход топлива в обоих случаях изменялся в пределах погрешности определения.
В четвертой главе выполнено теоретическое исследование влияния технического состояния дизеля на его показатели. С этой целью составлена математическая модель рабочего процесса многоцилиндрового дизеля. Предполагается, что газ в цилиндре - идеальный, находящийся в равновесном состоянии. Термодинамическая система (газ в цилиндре) является открытой на всех участках индикаторной диаграммы. Уравнение энергетического баланса термодинамической системы на тактах сжатия и расширения при повороте коленчатого вала на угол tip имеет вид:
dq> flkp ч ^ф Лф Лф
где 17- внутренняя энергия системы (газа в цилиндре), кДж; Qw - теплота, полученная системой от стенок, кДж;
dx/(kp - относительная скорость сгорания топлива, 1/ПКВ; р - давление газа в цилиндре, кПа; V - объем цилиндра, м3;
h - удельная энтальпия газа в цилиндре, кДж/кг; йгПрь - изменение массы газа из-за утечек через зазоры в поршневых кольцах, кг. Для расчета суммарного коэффициента"теплоотдачи выбрана формула 1\Хоэнберга, близкая по структуре к известной формуле Г. Вошни, однако более простая.
После преобразований уравнение (6) получило вид:
аф йф йф
(7)
й*ф тсу
где Т- температура газа в цилиндре. К;
Q„ - низшая удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг;
и - удельная внутренняя энергия газа в цилиндре, кДж/кг;
Ьц - цикловая цодача топлива, кг;
к4 -постоянная;
Ъ - безразмерное перемещение поршня;
R - удельная газовая постоянная, кДж/(кг* К); AtripY - изменение массы газа в цилиндре из-за утечек через кольца, кг,
m - масса газа в цилиндре, кг;
Су -удельная истинная изохорцая теплоемкость газа, кДж/(кг*К). Утечки газа через поршневые кольца определялись с использованием методики, разработанной Р.М.Петриченко с сотрудниками.
Длительность задержки воспламенения рассчитывалась по методике Ю.Т.Еремина с использованием формул СА-Калашникова для дизельного топлива и эмульсии. Скорость сгорания находилась по двухчленной формуле И.И.Вибе, а изменение коэффициентов Вибе в зависимости от режима работы дизеля - по формулам Г.Вошни.
Сначала для дизеля 6ЧНСП18/22, находящегося в хорошем техническом состоянии, были проведены сравнительные расчеты работы на безводном топливе и эмульсии (,,=0,15). Основные результаты:
Дизтопливо ВТЭ
Удельный расход топлива, г/(кВт- ч) 237 237
Макс, давление сгорания, кгс/см2. 75 77
Температура отработавших газов, С 471 457
Полученные результаты удовлетворительно совпадают с опытными данными по дизелю 6ЧНСШ8/22. Отметим, что экономичность дизеля с переходом на эмульсию не изменяется.
В вычислительном эксперименте исследовалось влияние: высот камер сжатия; зазоров в поршневых кольцах; закоксованности распыливаю-щих отверстий распылителя; неравномерности цикловых подач топлива по цилиндрам; разрегулировки углов опережения впрыскивания топлива по цилиндрам.
С уменьшением высоты камеры сжатия hKC незначительно попытаются индикаторная цилиндровая мощность и максимальная температура цикла, снижается температура отработавших газов за цилиндром. Влияние hKC на параметры рабочего процесса во многом объясняется изменением условий сгорания и, в первую очередь, сдвигом угла начала горения относительно ВМТ.
Рост утечек газа из цилиндра влияет на показатели рабочего процес
са, в основном, так же, как и увеличение клс. Однако, есть и существенное
отличие, состоящее в том, что с увеличением утечек максимальная темпе
ратура газа в цилиндре несколько повышается. Это объясняется уменьше
нием из-за утечек коэффициента избытка воздуха при сгорании. Рост мак
симальной температуры сгорания обуславливает высокий темп увеличения
температуры отработавших газов. >
Уменьшение эффективного проходного сечения распыливающих отверстий учитывается коэффициентом закоксовывания
k^tf/frfio, (8)
где р./ - эффективное проходное сечение закоксовапного распылителя, м2; (\if)0 - то же, чистого распылителя, м2. Наибольшее влияние к^ж оказывает на ртах и Ттах, которые быстро снижаются по мере закоксовывания отверстий. В то же время температура отработавших газов несколько повышается, так как при закоксованных отверстиях увеличивается продолжительность впрыскивания и, соответственно, - длительность горения. По мере увеличения числа форсунок с частично закоксованными распьиштелями удельный расход топлива заметно возрастает. Переход с чистых распылителей на закоксованные снижает экономичность и повышает температуру отработавших газов. При работе на эмульсии экономичность восстанавливается (табл.1).
Таблица 1 Зависимость расчетных показателей рабочего процесса дизеля с чистыми и закоксованными распылителями
Изменение углов опережения впрыскивания по цилиндрам в диапазоне ± 2 ПКВ от номинального значения может вызвать перегрузку отдельных цилиндров по среднему индикаторному давлению от 0,2 до 0,7 % (минимальное значение - при одном разрегулированном цилиндре). Одновременно заметно возрастают динамические и термические нагрузки из-за роста Ртах и Tmar Удельный расход топлива в вычислительном эксперименте повышался на 2 г/(кВт ч) при уменьшении угла опережения впры-
скивания на 2 СПКВ в пяти цилиндрах и на 1 г/(кВт# ч) - если угол опережения впрыскивания был уменьшен в двух цилиндрах.
При значительном уменьшении сроп по всех цилиндрах удельный расход топлива возрастает. Применение эмульсии позволяет несколько улучшить экономичность (табл. 2).
Таблица 2 Расчетные показатели рабочего процесса дизеля при малом угле опережения опрыскивания (по насосу)
В пятой главе рассмотрены результаты экспериментов по влиянию эмульсии на процессы в дизеле (изношенном или имеющем большие отклонения от заводской регулировки).
Опытами на дизеле 4NVD26 (4418/26) установлено (рис.4), что при оптимальном угле опережения впрыскивания удельные расходы топлива при работе на ВТЭ и безводном топливе отличаются на 2 г/(кВт*ч). С уменьшением угла опережения впрыскивания эффект от применения эмульсии возрастает, что подтверждает предположение об эффективности применения эмульсии в разрегулированном дизеле.
Ье, 205
г/лсч195
Усп.'ПКВ (доВМТ)
Рис.4. Зависимость удельпого расхода топлива дизеля 4NVD26 от геометрического угла опережения впрыскивания (zc~ 14,1):
1 - ВТЭ с %w = 0,2; 2 -дизельное топливо Также исследовалось влияние содержания воды в эмульсии на показатели дизеля. Чтобы эффект проявился в максимальной степени, угол опережения впрыскивания был уменьшен (рис.5).
Результаты опытов, по нашему мнению, объясняются следующим образом. При <роп =15 ПКВ начало горения безводного топлива в испытуемом дизеле смещается к ВМТ. Максимум скорости сгорания при этом сдвинут от оптимального расположения к НМТ, а продолжительность сгорания -увеличена, что является основными причинами ухудшения экономичности.
be, 220 V
' пси
Содержание воды, %
Рнс.5. Зависимость удельного расхода топлива дизеля 4NVD26 от содержания воды в эмульсии (q>m = 15 ПКВ до BMI) при:
1-Ес=10; 2-Ес=12; 3-ЕС=14,1 С повышением содержания воды в эмульсии задержка воспламенения возрастает, еще больше смещая к ВМТ начало горения. Однако при этом максимум скорости сгорания эмульсии находится ближе к ВМТ, чем у безводного топлива. Меньше и продолжительность сгорания. Эти факторы объясняют повышение экономичности работы на эмульсии по сравнению с безводным топливом при малых углах опережения впрыскивания.
При оптимальных углах опережения впрыскивания максимум скорости сгорания безводного топлива уже находится в наивыгоднейшем положении относительно ВМТ. Поэтому с переходом на ВТЭ сдвиг максимума скорости относительно ВМТ вызывает снижение экономичности, а сокращение продолжительности сгорания - повышение экономичности. В результате мы наблюдаем либо незначительное изменение удельного расхода топлива (в ту или иную сторону), либо его сохранение.
Серия опытов на дизеле 6ЧН18/22 показала, что при использовании эмульсии с 20 % воды экономичность на всех исследованных режимах с распылителями 7x0,20x140 практически та же, что у дизеля с штатными распылителями 7x0,25x140, работающего на безводном топливе.
Эксперименты на "холодном" топливном стенде показали, что с увеличением гидравлической плотности плунжерной пары при неизменном положении рейки ТНВД цикловая подача возрастает. С переходом от безводного топлива на эмульсию, содержащую 20 % воды, при неизменном положении рейки ТНВД цикловая подача возрастает на 4,4 %. Одновременно примерно на 2 МПа снижается максимальное давление на входе в форсунку. Последнее объясняется повышением гидравлических потерь при движении более вязкой эмульсии по трубопроводу высокого давления. Однако средняя скорость впрыскивания при этом снижается очень незначительно.
При переводе дизеля с безводного топлива на его эмульсию для сохранения неизменной мощности регулятор частоты вращения увеличивает
подачу эмульсии так, чтобы масса впрыскиваемого топлива оставалась прежней. В этом случае у плунжерной пары с плотностью 18 с максимаш»-иое давление впрыскивания эмульсии примерно то же, что и при впрыскивании безводного топлива, а у плунжерной пары с плотностью 100 с - ниже на 1 МПа (что находятся в пределах погрешности измерений). Средняя скорость впрыскивания при таком переходе на эмульсию увеличивается на 4-5.
