Введение к работе
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 NOx, причем решение этой проблемы оказывается особенно трудным. В настоящее время, снижение выброса NOx 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 то плив.
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 NOx необходимо снижать максимальную температуру цикла, а для снижения удельного расхода топлива - повышать. В тоже время тепловой режим во многом определяет теплонапряженность деталей цилин-дро-порпшевой группы и, соответственно, надежность работы двигателей.
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:
Выполнить анализ существующих методов снижения токсичности отработавших газов и уменьшения удельного расхода топлива;
Установить основные факторы организации рабочего процесса, влияющие на образование токсичных компонентов в отработавших газах и на удельный расход топлива;
Получить требуемые параметры эмиссии оксидов азота в отработавших газах и удельного расхода топлива, без существенных изменений конструкции двигателя;
Разработать мероприятия по совершенствованию подачи топлива в цилиндр двигателя;
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 сред
необоротного 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.
Научная новизна
Разработана методика оценки качества протекания рабочего процесса по отложениям нагара и образованию сажи на поверхностях камеры сгорания дизеля;
Разработан рабочий процесс, отличающийся:
от рабочего процесса двигателя со смешанным изохорно-изобарным 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;
Разработан алгоритм оптимизации рабочего процесса среднеоборотного дизеля для снижения токсичности отработавших газов;
Установлено, что рабочий процесс среднеоборотного судового дизеля с приближенным к изобарному процессу сгорания топлива снижает образование оксидов азота в отработавших газах;
Предложена система топливо по дачи с устройством демпфирования колебаний топлива в топливоподающем трубопроводе;
Установлено влияние угла начала подачи топлива на удельный расход топлива и содержание оксидов азота в отработавших газах.
Практическая ценность
Даны практические рекомендации по регулировке среднеоборотных дизелей для снижения токсичности отработавших газов.
Установлено влияние профиля топливного кулачка, фаз газораспределения, угла начала подачи топлива на топливную экономичность и образование оксидов азота в отработавших газах.
Разработаны требования к системам топливоподачи, газораспределения, позволяющие довести процесс сгорания с приближением к изобарному.
Дано обоснование выбора способа уменьшения выбросов оксидов азота в отработавших газах и снижения удельного расхода топлива.
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;
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 рабо
ты докладьшались и обсуждались на заседаниях кафедры «Эксплуатации
судовых энергетических установок», международной научно-
практической конференции «Современные инновации в науке и технике»
(2011г.), международном форуме «Великие реки» (2009-2011 гг.), ежегод
ных научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского 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.
