Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ технического состояния судовых дизелей. постановка задач исследования 9
1.1 Уменьшение содержания твердых частиц в отработавших газах - составная часть задачи совершенствования отечественных дизелей 9
1.2 Нормирование и контроль содержания загрязняющих веществ в отработавших газах судовых дизелей 13
1.3 Влияние технического состояния дизеля на его экономические и экологические показатели. Анализ парка судовых дизелей ОАО «Амурское пароходство» 18
1.4 Обзор и анализ основных направлений уменьшения содержания твердых частиц в отработавших газах 21
1.5 Использование газодинамических колебаний для уменьшения дымности отработавших газов 26
1.6 Выводы по обзору. Постановка задач дальнейшего исследования 28
2 Исследование процесса горения частицы дизельной сажи в возмущенной среде 31
2.1 Химический состав твердых частиц 31
2.2 Анализ процесса горения твердого углеводородного топлива 36
2.3 Исследование процесса горения твердой частицы в невозмущенном пламени газовой горелки 39
2.4 Исследование влияния газодинамических колебаний на процесс горения неподвижной частицы дизельной сажи 45
2.5 Результаты исследования. Выводы 53
3 Теоретическое исследование влияние осцилляции газовой среды на динамику движения и обдува взвешенной твердой частицы 55
3.1 Амплитудно-частотные характеристики газодинамических колебаний рабочего тела в судовых дизелях 55
3.2 Структура и характеристики твердых частиц, содержащихся в отработавших газах дизеля 59
3.3 Численное исследование влияния газодинамических колебаний на движение и обдув частиц дизельной сажи взвешенных в осциллирующей газовой среде 65
3.4 Основные результаты исследования. Выводы 77
4 Экспериментальное исследование влияния осщлляций газовой среды на содержание твердых частиц в отработавших газах дизеля 79
4.1 Экспериментальная установка. Методика проведения испытаний. Анализ погрешностей измерений 79
4.2 Исследование влияния газодинамических колебаний в цилиндре дизеля на дымность отработавших газов 83
4.3 Исследование влияния осцилляции газа в выпускном коллекторе дизеля на дымность отработавших газов 91
4.4 Основные результаты исследования. Выводы 95
Заключение 96
Литература 99
Приложение А 118
- Нормирование и контроль содержания загрязняющих веществ в отработавших газах судовых дизелей
- Исследование процесса горения твердой частицы в невозмущенном пламени газовой горелки
- Структура и характеристики твердых частиц, содержащихся в отработавших газах дизеля
- Исследование влияния газодинамических колебаний в цилиндре дизеля на дымность отработавших газов
Введение к работе
Энергетика является одной из основ существования и развития цивилизации на нашей планете.
Известно, что около 80% всей энергии на планете вырабатывают двигатели внутреннего сгорания [55]. Среди них самым экономичным является двигатель с воспламенением от сжатия - дизель. Эффективный КПД судовых дизелей превысил 50 % и перспективе ожидается создание двигателей с КПД 58% и даже 60 % [58].
Благодаря своим преимуществам дизели вытеснили другие типы энергетических установок на судах речного и морского флота.
Анализ перспектив развития судовых дизельных энергетических установок показывает, что в ближайшем будущем они сохранят доминирующее положение [54, 95].
Работающий дизель является интенсивным источником шумового, теплового и химического загрязнения окружающей среды.
На одну тонну сожженного топлива дизель выбрасывает с отработавшими газами 35 кг СО, 11 кг углеводородов, 51 кг оксидов азота и до 5 кг твердых частиц [80]. В ряде случаев выбросы твердых частиц дизелем достигают 1 % от массы сожженного топлива [24]. Эти частицы адсорбируют на своей поверхности оксиды серы и высокомолекулярные соединения углеводородов, включая канцерогенные. Дым вызывает нарушение работы дыхательных органов человека, способен поражать легкие, дыхательные пути, вызывать аллергию и болезнь кожи.
Образующиеся при сгорании топлива твердые частицы не только загрязняют атмосферный воздух, но и является причиной абразивного изнашивания деталей ЦПГ, газоабразивного износа выпускных клапанов, увеличивают угар масла, снижает индикаторный КПД. С увеличением степени износа двигателей
5 содержание твердых частиц в отработавших газах повышается.
Таким образом, проблема сокращения выбросов загрязняющих веществ работающим дизелем является одной из важнейших задач дизелестроения от решения которой зависит состояние здоровья человека, сохранение генофонда, а также улучшение топливной и масляной экономичности, повышение ресурса и надежности двигателя. Поэтому, исследования связанные с комплексным улучшением экологических и экономических показателей судовых дизелей являются актуальными.
Целью работы является поиск, разработка и исследование новых способов уменьшения выбросов твердых частиц в отработавших газах дизеля на основе дополнительного возмущения газовой среды.
Объектом исследования являются процессы образования и выгорания твердых частиц дизельной сажи в камерах сгорания судовых дизелей.
Методика исследования. В диссертации использованы как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Процесс горения неподвижно закрепленных частиц дизельной сажи в возмущенной среде изучался на опытной установке. Численные исследования процессов движения и обдува твердых частиц, взвешенных в осциллирующей газовой среде, проводились на компьютере. Дымность отработавших газов и расход топлива при сравнительных испытаниях дизеля определялись на моторном стенде.
Опыты проводились на специально спроектированных и изготовленных экспериментальных установках. Исследуемые параметры регистрировались при помощи современной поверенной цифровой регистрирующей аппаратуры. Полученная информация обрабатывалась на компьютере.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивалась:
-использованием современной и поверенной измерительно-регистрирующей аппаратуры;
-результатами экспериментальных исследований и сравнительными стендовыми испытаниями дизеля;
- удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с экспериментом.
Научная новизна. Посредством специальных опытов установлено, что периодические пульсации газовой среды интенсифицируют процесс горения неподвижных частиц дизельной сажи. Установлен ряд закономерностей этого процесса в зависимости от интенсивности и частоты газодинамических колебаний, температуры и состава твердой частицы и газовой среды.
Проведено численное исследование процессов движения и обдува взвешенных частиц дизельной сажи в осциллирующей газовой среде. В результате анализа материалов численного исследования установлен ряд закономерностей этих процессов в зависимости от размеров, формы и плотности частиц и параметров возмущенной газовой среды.
Экспериментально установлено, что увеличение амплитуды газодинамических колебаний в камере сгорания и сохранение их интенсивности на линии расширения существенно уменьшают дымность отработавших газов при одновременном сокращении расхода топлива на различных топливах и режимах работы дизеля.
Спроектировано, изготовлено и испытано устройство для дополнительного возбуждения газодинамических колебаний в выпускном коллекторе. Экспериментально установлено, что дополнительные возмущения газовой среды в выпускной системе дизеля способствуют заметному уменьшению дымности отработавших газов.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложен, разработан и исследован достаточно простой и эффективный способ уменьшения содержания твердых частиц в отработавших газах дизеля. Спроектировано, изготовлено и испытано устройство для организации дополнительного возмуще-
7 ния газовой среды в выпускном коллекторе дизеля.
Внедрение полученных результатов в производство позволит обеспечить комплексное улучшение экологических, экономических и эксплуатационных показателей судовых дизельных энергетических установок.
Реализация результатов исследования. Научные выводы и практические рекомендации реализованы в ФГУ «Обское государственное бассейновое управление водных путей и судоходства» и ФГУП « 15 Центральный автомобильный ремонтный завод», а также в Новосибирской государственной академии водного транспорта (при чтении ряда дисциплин студентов судомехани-ческой специальности).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Международной научно- технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт » в г. Тобольске в 2004 году, на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития и эксплуатации поршневых двигателей в транспортном комплексе Азиат-ско - Тихоокеанского региона» в г. Хабаровске в 2005 году, на Международном форуме по проблемам науки, техники и образования «III Тысячелетие -Новый мир» в г. Москве в 2005 году, на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Двигатели внутреннего сгорания -современные проблемы, перспективы развития» в г. Барнауле в 2006 году, научных семинарах Новосибирской государственной академии водного транспорта.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа представлена на 132 страницах машино-
8 писного текста, включает 9 таблиц, 41 рисунок и список литературы 170 наименований.
Содержание диссертации корреспондирует с Государственной программой «Развитие отечественного дизелестроения на период до 2010 года» и является составной частью госбюджетной научно-исследовательской работы по теме: «Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания в судовых дизелях» (№ государственной регистрации. 01.2.00.109.551).
В соответствии с содержанием работы, к защите представляются результаты теоретических и экспериментальных исследований по комплексному улучшению экологических и экономических показателей судовых дизельных энергетических установок, а именно:
-результаты экспериментального исследования процесса сгорания закрепленных частиц дизельной сажи в спокойной и возмущенной газовой среде;
-результаты численного исследования динамики движения и обдува взвешенных твердых частиц в осциллирующей газовой среде;
- результаты опытного исследования влияния газодинамических колебаний в цилиндре дизеля на его экологические и экономические показатели;
-результаты экспериментального исследования влияния газодинамических показателей возбуждаемых в выпускном коллекторе на дымность отработавших газов дизеля.
Нормирование и контроль содержания загрязняющих веществ в отработавших газах судовых дизелей
Известно, что в отработавших газах дизеля содержится более 1200 различных компонентов загрязняющих атмосферный воздух [90].
Впервые обязательная система контроля уровня загрязнения отработавших газов была введена в 1964 г. в США для автомобилей начиная с выпуска 1966 г.
Первый законодательный документ, касающийся ограничений выбросов загрязняющих веществ транспортными двигателями был принят в 1970 г. в США под названием «Акт о чистом воздухе».
В настоящее время практически все страны Америки, Европы и Азии соблюдают требования тех или иных нормативных документов.
В Российской Федерации имеется своя законодательная база по ограничению загрязнения воздушного бассейна продуктами сгорания ДВС. Это Закон «Об охране окружающей природной среды» [104], Закон «Об охране атмосферного воздуха» [103], Водный Кодекс РФ [102], Постановление Правительства РФ «О проведении регулярных проверок транспортных и иных передвижных средств на соответствие техническим нормативам выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух» [105]. Для судовых дизелей введены в действие государственные стандарты по нормам и методам определения дымности и выбросов газообразных вредных веществ [27, 28].
В настоящее время существует два вида нормирования экологического загрязнения. Это: - санитарно-гигиеническая норма - показатель, соблюдение которого гарантирует безопасность или оптимальные условия существования человека; -технические показатели - в которых оговаривается вредное значение отдельного выброса загрязняющих компонентов при условии проведения испытаний двигателей на моторном стенде по заданной программе.
Измерение содержания вредных веществ по санитарно-гигиеническим нормам согласно ГОСТ 12.1.005-88 производится в воздухе рабочей зоны и регламентируются предельно-допустимыми концентрациями (ПДК) этих веществ.
Измерение содержания вредных веществ по техническим показателям производится на работающем дизеле непосредственно в выпускном коллекторе, либо в ограниченном объеме, где отработавшие газы разбавляются воздухом.
До конца 1980 годов во всех промышленно развитых странах мира производился контроль и нормирование содержания в отработавших газах ДВС трех газообразных токсичных компонентов: оксидов азота, оксида углерода и суммарных углеводородов. Для дизелей дополнительно нормировали дымность отработавших газов.
Дымность ощущается как непрозрачность и зависит от содержания в газах твердых частиц сажи, частиц масла, топлива, паров воды и других веществ. Для увеличения точности оценки этих компонентов при малых концентрациях с 1989 г. в США и с 1992 г. в Западной Европе ввели контроль и нормирование частиц (РМ - Particulate Matter). По определению Американского Агенства по охране окружающей среды (ЕРА) твердые частицы представляют собой «...любое вещество за исключением воды, которое при температуре менее 51,7 С осаждается на фильтре».
В соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН № 101 введено нормирование содержания диоксида углерода С02 в отработавших газах двигателей транспортных средств.
К косвенно нормируемым вредным веществам для дизельных двигателей относятся оксиды серы. Их количественное содержание в отработавших газах определяется присутствием сернистых соединений в топливе, которое оговаривается в стандартах на топливо и не зависит от качества рабочего процесса. В дальнейшем этот компонент нами рассматриваться не будет.
Количество загрязняющих веществ в отработавших газах зависит от конструкции дизеля и качества используемого топлива. Поэтому в США и Европе имеет место различный подход к вопросу классификации судовых дизелей. В США морские двигатели разделяются в зависимости от рабочего объема цилиндра (от 2,5 до 30 л и свыше 30 л в цилиндре). В Европе классификацию производят по частоте вращения (малая, промежуточная и средняя частота вращения коленчатого вала).
При нормировании и контроле вредных выбросов Европейское сообщество [155] и Международная организация судоводителей (IMO) [79] ограничивает количественное содержание NOx. На судах морского и смешанного (река-море) плавания нормативы выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами определяются Правилами 13 Приложения VI к материалам Международной Конвенции MAP-ПОЛ 73/78 и «Техническим кодексом по ограничению выбросов NOx от судовых дизельных двигателей». Здесь, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, количество выбросов оксидов азота ограничено 9,84-17,00 г/(кВт-ч). Для отечественных дизелей речного флота выбросы NOx регламентируются ГОСТ Р 51249-99, значения которых соответствуют значениями установленными МАРПОЛ 73/78 [27, 79]. Разрабатываемые в настоящее время перспективные документы поэтапно ужесточают действующие нормативы. Существуют прогнозы, что к 2010 году предельно-допустимые выбросы вредных веществ для дизелей будут сокращены примерно в два раза, а еще через пять лет - на 95 %, и не превысит 1 г/(кВт-ч) [53].
Стандарты США [170] и Рейнской Комиссии [155] наряду с выбросами NOx накладывают ограничения и на выбросы СО, СН и РМ. Анализ зарубежных норм (США [170], ЕЕА [156], IMO (МАРПОЛ 73/78) [79], RCINC [155]) показывал, что наиболее жесткие нормы для судов внутреннего плавания установлены Рейнской Комиссией (NOx 9,2 г/кВт-ч).
Требования к загрязнению атмосферного воздуха в бассейнах рек в России соответствуют требованиям экологии европейских рек, поэтому Российские стандарты [27, 28] наряду с выбросом газообразных компонентов также нормируют дымность отработавших газов. Для оценки непрозрачности отработавших газов используются термины дымность, сажесодержание, содержание твердых частиц. Измерения дымности газов по оптической плотности проводятся в Европе по шкале Hartridge в %, а в США по шкале Becman в %. Содержание сажи и твердых частиц определяется по шкале Bosh в услов-ных единицах и в г/м . Количество выбросов твердых частиц рассчитывается в г/(кВт ч). Изучению состава твердых частиц и установлению соответствия данных о дымности и содержания ТЧ в отработавших газах посвящены работы А.Л. Новоселова (Ал. ГТУ им. И.И. Ползунова) [92, 93]. Соотношения этих параметров приведено в таблице 1.2. Таблица 1.2- Сравнение показаний приборов, определяющих дымность отработавших газов и количество твердых частиц, осаждающихся на фильтре [80]
Исследование процесса горения твердой частицы в невозмущенном пламени газовой горелки
Процесс горения частичек сажи в цилиндре дизеля представляет комплекс взаимосвязанных между собой сложных физико-химических процессов происходящих в условиях быстроизменяющихся температур, давлений и концентраций реагирующих между собой компонентов. Исследуем горение частицы дизельной сажи в пламени горелки при атмосферном давлении в невозмущенной газовой среде. Опыты проводились на специальной экспериментальной установке, общий вид которой приведен на рисунке 2.5, а принципиальная схема изображена на рисунке 2.6. Сажа для опытов отбиралась из выхлопного коллектора дизеля 6ЧНСП18/22 работавшего на дизельном топливе и просеивалась на калиброванных ситах. Из отсева конгломератов сажи размером 30-50 мкм изготавливались одинаковые по размерам шарики диаметром 2,5 мм. В качестве связующего использовался мазут 40. Затем полученные шарики сажи просушивались в печи при температуре 600-650 К в течение 4 часов для удаления из них основной массы жидких углеводородных фракций составляющих связующее вещество. Перед началом опыта шарик бритвой надрезался до половины его диаметра и посредством обжатия закреплялся на тонкой вольфрамовой нити, натянутой между двумя вертикальными державками.
Закрепленная таким образом частица сажи 1 при помощи электромагнита 2 подавалась в обедненное топливом пламя газовой горелки 3. В качестве топлива в горелке использовался сжиженный газ, хранящейся в баллоне 4. Температура пламени контролировалась термопарой 5 при помощи потенциометра 6.
Процесс горения частицы сажи фиксировался цифровой кинокамерой 7 и выводился на монитор компьютера.
Опыт проводился в следующей последовательности. Сначала зажигалась газовая горелка и обедненная топливом газовая смесь разогревалась до температуры 900-950 К.
Затем, закрепленная на державке твердая частица при помощи координатного устройства подводилась под пламя горелки. После этого последовательно включалась видеокамера и подавалось напряжение на электромагнит, который осуществлял плавную подачу частицы в пламя горелки
Обработка полученных результатов проводилась на компьютере. В качестве масштаба для определения текущих размеров частицы сажи использовался стержень державки, диаметр которой равен 0,75 мм.
На рисунке 2.7 показана видеорегистрация процесса горения частицы сажи в момент ее подачи в пламя горелки, на рисунке 2.8 в момент времени равный половине времени полного горения, на рисунке 2.9 в момент ее разрушения. На рисунке 2.10 приведен график изменения поперечного диаметра закрепленной частицы дизельной сажи при горении пламени газовой горелки.
В результате анализа полученных видеорегистраций и графиков, процесс горения твердой частицы можно условно разделить на следующие периоды. Первый период - период диффузионного горения, характеризуется наличием видимого пламени (рисунок 2.7). Здесь происходит испарение жидких углеводородных фракций топливного и масляного происхождения и образование летучих веществ. Количество этих жидких фракций может достигать до 50% массы всей твердой частицы [93]. Процесс горения частицы сажи в этом периоде проходит аналогично процессу горения капли жидкого углеводородного топлива, то есть по диффузионному механизму, в котором скорость горения лимитируется скоростью диффузии паров топлива и окислителя. Окончание первого периода соответствует точке 1 (рисунок 2.10). Его длительность зависит от соотношения масс жидкой и твердой фаз и составляет в данном случае
В работе Сполдинга Д.В. [131] отмечено, что при горении капель тяжелого топлива образуется твердый скелет, размер которого близок к первоначальному размеру капли и который был назван «ценосферой». После сгорания це-носферы остается коксовый остаток в объеме до 25% от объема капли.
Второй период - характеризуется отсутствием видимого пламени. Здесь происходит прогрев оставшейся твердой фазы (ценосферы) до температуры окружающей среды, т.е. до температуры пламени газовой горелки (900-950 К). К концу этого периода ценосфера окрашивается в красно-малиновый цвет. Окончание второго периода на рисунке 2.10 отмечено точкой 2. Его продолжительность составляет 7-8 % от полного времени горения частицы.Третий период, длительность которого составляет 48-52%) времени горения твердой частицы, визуально не отличается видимыми внешними изменениями размера и формы. Наблюдается постепенное окрашивание частицы в темный цвет.В это время внутри пористой частицы происходят процессы газификаци и твердого углерода. Реакции восстановления окиси и двуокиси углерода являются эндотермическими и проходят с поглощением теплоты. В течение всего третьего периода механические связи между микрообъемами сажи в ценосфере достаточно прочны и способны сохранять форму и размер твердой частицы. Окончание третьего периода на рисунке 2.10 отмечено точкой 3.Четвертый, последний период, представляет собой процесс видимого разрушения ценосферы, который начинается с ее поверхности. При этом от ценосферы могут отслаиваться мелкие частички золы в виде чешуи или микрообъемов размерами до 10-15%о и более от её первоначального диаметра. В конце четвертого процесса ценосфера полностью разрушается.Из анализа видно, что более половины общего времени сгорания частицы сажи в обедненном топливом пламени составляет третий период. Если после окончания первого или в течение второго и третьего периода пламя горелки потушить, то частица начнет остывать и все последующие химические процессы прекратятся. В результате проведенного экспериментального исследования можно сделать вывод о том, что для полного сгорания частицы дизельной сажи необходимы следующие условия. Это: - наличие достаточного времени, необходимого для осуществления процесса газификации твердого углерода; - обеспечение в течение этого времени подвода к частице теплоты и окислителя.
Структура и характеристики твердых частиц, содержащихся в отработавших газах дизеля
Химический состав твердых частиц весьма сложен, разнообразен и зависит от состава топлива, масла, параметров рабочего процесса, а также от ряда других факторов. Основой твердых частиц является сажа, занимающая более 50 % их объема [93]. Частицы сажи обуславливают серый или черный цвет отработавших газов и адсорбируют на своей поверхности диоксиды серы, различные углеводороды, окислы металлов, окислы азота и другие вещества. Сажа в условиях камеры сгорания могут образовываться при температуре от 1100 до 1700 С, как в зонах горения бедных смесей, так и в ядре топливной струи, которое переобогащено топливом [143]. Время необходимое для образования твердых частиц составляет 10 3-102 с.
Образование и выгорание сажи в цилиндре дизеля представляет собой комплекс чрезвычайно сложных, быстротекущих, взаимозависимых физико-химических явлений [41]. Поэтому нет единого мнения о механизмах протекания этих процессов. Вследствие этого обстоятельства исследователи придерживаются различных точек зрения [17, 20, 125, 154 и др.].
Наибольшее признание получила схема процесса образования частиц сажи, которая состоит из процессов гидрогенизации, дегидрогенизации, крекинга, полимеризации и конденсации химических компонентов [154]. В этой модели процесс образования частиц сажи при горении углеводородных топлив условно разделено на три основных периода. Это:- образование зародыша;- рост зародыша в частице сажи;- коагуляция первичных сажевых частиц.
В присутствии достаточного количества кислорода частицы сажи полностью сгорают. Предполагается [157], что полностью сгореть могут только такие частицы, размеры которых не будут превышать 0,01 мкм.
При недостатке окислителя будет иметь место процесс роста твердых частиц в конгломераты сажи.
Для условий, имеющих место в камерах сгорания дизелей, Мачуль-ским Ф.Ф. [78] предлагается такая схема, в которой массив образующихся в цилиндре твердых частиц условно разделен на первичные, вторичные и третичные структуры.
К первичным структурам относятся шаровидные образования размером до 0,015-0,17 мкм, 90% из которых составляют частицы размером 0,02-0,05 мкм.Вторичные структуры образуются в результате коагуляции частиц первичных структур. Они имеют неправильную форму в виде отдельных и разветвленных цепей и твердых образований неправильной формы. Размер основ ной массы этих частиц условно принят в пределах от 0,3 до 3 мкм.
Третичные структуры представляют собой крупные конгломераты сажевых агрегатов размером 30-50 мкм и более. Они образуются к моменту открытия выпускного клапана, имеют неправильную округлую форму. На рисунке 3.1 показан общий вид первичных структур дизельной сажи, на рисунке 3.2 вторичных, на рисунках 3.3 и 3.4 представлены агрегаты третичных структур.
В связи с тем, что условия протекания рабочего процесса для различных типов двигателей существенно отличаются друг от друга, то нет и единого мнения о распределении всего массива твердых частиц по размерам.Долгополов Г.А. и Пушнин В.П. [46] считают, что размеры основной массы частиц сажи судовых дизельных двигателей составляют 50-315 мкм.Мачульский Ф.Ф. установил, что большинство (87-98%) сажевых образований, отфильтрованных из черного дыма, имеют размер 0,04-0,5 мкм [78].По мнению специалистов фирмы «Daimler-Benz» от 80 до 90% сажистых частиц имеют размеры 0,1-0,4 мкм. На рисунке 3.5 в соответствии с данными работы [93] приведена диаграмма распределения твердых частиц по размерам, из которой видно, что подавляющее количество составляют частицы размера в поперечнике около 1 мкм. Другой важной характеристикой твердой частицы является плотность. Дизельная сажа представляет собой полидисперсный материал. Согласно результатам исследований, приведенным в работе [78], первичная частица сажи состоит из множества различно ориентированных в пространстве кристаллитов. Неупорядоченное слоевое строение кристаллов делает частицу аморфной.
Плотность сажи в значительной степени зависит от насыщения ее различными химическими соединениями и минеральными примесями.
Исследователи различают два вида плотности твердых частиц, которые отличаются способами их определения. Это насыпная и пикнометрическая.
Наиболее просто определяется насыпная плотность, которая используется для оценки характеристик массива сажи. Этот способ измерения плотности не учитывает промежутки объема воздуха между частицами различных размеров. В зависимости от размера частиц и вида топлива насыпная плотность фракции дизельной сажи может изменяться в значительном диапазоне. В таблице 3.3 приведены значения насыпной плотности третичных структур твердых частиц содержащихся в отработавших газах дизеля [50]. Пушнин В.П. для первичных структур дизельной сажи условную насыпную плотность рекомендует принимать равной насыпной плотности первичных структур печной сажи, которая равна от 1,183-10 кг/м до 1,216-10" кг/м" в сторону увеличения при повышении процентного содержания в ней минеральных компонентов.
Для оценки плотности отдельных частиц сажи используется пикнометри-ческая плотность, которая определяется после заполнения воздушных объектов между частицами сажи жидкостью с известной плотностью. Для печной сажи пикнометрическая плотность составляет 1820-1870 кг/м [111]. В таблице 3.4 приведены основные характеристики сажевых образований в отработавших газах дизеля, полученных в результате анализа имеющихся в печати данных.
Из выполненного анализа видно, что спектр размеров твердых частиц образующихся в дизеле представлен в виде частиц сажи размером от 0,015 до 400 мкм и плотностью от 0,2-103 до 1,9-103 кг/м3. Мелкие частицы, в основном, образуются при нахождении поршня в районе ВМТ и имеют правильную шарообразную форму и наибольшую плотность. Затем со временем происходит их превращение в более крупные частицы произвольной формы. Таблица 3.4- Характеристики сажевых образований в отработавших газах дизеля
Опыты по экспериментальному исследованию процесса горения твердых частиц дизельной сажи показали, что колебания воздушной среды способны существенно интенсифицировать горение относительно крупных (2-2,5 мм) неподвижных частиц дизельной сажи. В действительности твердые частицы, находящиеся в камере сгорания дизеля на несколько порядков меньше и находятся во взвешенном состоянии. При достаточно малых размерах и массе эти частицы возможно будут увлекаться частицами воздуха и эффект обдува может исчезнуть. Следовательно, и будут отсутствовать условия для интенсификации
Исследование влияния газодинамических колебаний в цилиндре дизеля на дымность отработавших газов
Для возбуждения газодинамических колебаний в цилиндре дизеля использовался специально изготовленный опытный поршень с профилированной верхней плоскостью. Осцилляции рабочего тела в форме радиальной стоячей волны возбуждались в момент вспышки паров топлива за счет перетекания газа в надпоршневом зазоре [150].
Сначала проводились базовые испытания дизеля на штатном поршне, затем, после замены штатного поршня на опытный с профилированной поверхностью, испытания были повторены в той же последовательности.
На рисунке 4.3 приведены сравнительные нагрузочные характеристики отсека с штатным и опытным поршнем. Из рисунка видно, что применение газодинамических колебаний, возбуждаемых в цилиндре дизеля существенно (более чем в два раза) уменьшает дымность отработавших газов дизеля при одновременном сокращении удельного расхода топлива (на 10-15 г/(кВт-ч)).
На рисунке 4.4 изображены скоростные характеристики исследуемого дизеля при постоянном значении крутящего момента на выходном фланце равном 0,82 Мном. Из рисунков также видно, что акустические колебания способствуют снижению выбросов твердых частиц при улучшении топливной экономичности дизеля.
Полученные нами результаты экспериментальных исследований подтверждают теоретические выводы Матиевского Д.Д. и Свистулы А.Е. [74] «о потенциальной возможности увеличения индикаторного КПД на 6-8% за счет снижения всех составляющих неиспользования теплоты в цикле, главным образом за счет уменьшения несвоевременности выгорания сажи».
Известно, что наиболее простым и эффективным способом уменьшения количества оксидов азота в отработавших газах дизельных двигателей является уменьшение угла опережения подачи топлива. Испытания дизеля 415/18 пока зали, что при уменьшении угла опережения подачи топлива с 33 до 2 ПКВ до ВМТ, содержание окислов азота снижается почти в 5 раз. В то же время количество твердых частиц увеличивается в 3,5 раза [52].При этом одновременно увеличивается удельный эффективный расход топлива. Причиной увеличения количества твердых частиц и расхода топлива является смещение периода основного горения на линию расширения и затягивание процесса сгорания. Выполненное в параграфе 3.3 численное исследование показало, что акустические колебания являются действенным средством организации процесса обдува частиц вторичных и третичных структур, и как следствие, средством интенсификации процесса их горения.
Исследуем возможность устранения этого нежелательного явления при помощи использования газодинамических колебаний рабочего тела возбуждаемых в цилиндре дизеля.
На рисунке 4.5 и 4.6 показаны индикаторные диаграммы, полученные на отсеке дизеля 410,5/12 при угле опережения подачи топлива 11 ПКВ до ВМТ при работе на штатном и опытном поршне. При сравнении приведенных графиков можно отметить, что на втором отчетливо видны пульсации давления газа в цилиндре дизеля, которые сохраняются на линии расширения. На рисунке 4.7 приведены регулировочные характеристики дизеля 410,5/12, из которых видно, что при уменьшении угла опережения подачи топлива с -20 до -8 ПКВ дымность отработавших газов осталась на прежнем уровне. При этом также наблюдается уменьшение удельного расхода топлива (на 10-12 г/(кВт-ч)) и увеличение температуры отработавших газов (на 6-14 С).
Весьма перспективным направлением расширения области применения дизельных двигателей является их адаптация к работе на местных сортах топлива (сырая нефть, газовый конденсат) [114, 119, 140, 152]. Основным препятствием прямого использования газоконденсатных топ-лив в дизелях является их малая вязкость и, как следствие, неудовлетворитель 88 ная смазывающая способность, что оказывает отрицательное влияние на работу деталей топливной аппаратуры,
Имеющиеся сведения о влиянии низкокипящих фракций топлива на дым-ность отработавших газов противоречивы. Одни исследователи утверждают, что дымность уменьшается [159], другие, что увеличивается [166], третьи влияние малозаметное [143].
Исследуем влияние газодинамических колебаний на рабочий процесс дизеля при использовании в качестве топлива смеси газового конденсата с дизельным топливом в соотношении 50/50%. Приготовленная смесь имела температуру вспышки 12 С, кинематическую вязкость и плотность при 20 С рав-ную 1,7 мм /с и 793 кг/м соответственно.
На рисунке 4.8 показаны сравнительные нагрузочные характеристики опытного отсека при работе на дизельном топливе и его смеси с газовым конденсатом.
Из приведенного рисунка видно, что при переводе дизеля с штатным поршнем на смесь более легкого фракционного состава дымность отработавших газов снижается при незначительном (на 3-4 г/(кВт ч) увеличении удельного расхода топлива.
Применение опытного поршня, генерирующего газодинамические колебания, при работе на топливной смеси еще более существенно уменьшило дымность отработавших газов (в 1,5-2 раза) и сократило удельный расход топлива на 8-Ю г/(кВт-ч) в сравнении с штатным поршнем. Температура отработавших газов во всех случаях практически не изменилась.
В результате, можно сделать вывод о том, что газодинамические колебания рабочего тела, возбуждаемые в цилиндре дизеля, являются действенным средством комплексного улучшения экологических и экономических показателей дизельных двигателей.
Основным недостатком рассмотренного в разделе 4.2 способа сжигания твердых частиц в цилиндре дизеля является необходимость применения поршня специальной конструкции с профилированной верхней плоскостью.
Для подавляющего большинства главных судовых дизелей это направление снижения дымности связано с разработкой и доводкой новой камеры сгорания и заменой поршня. Кроме этого, изменения в конструкции серийно выпускаемых дизелей потребуют длительных процедур согласования с заводом изготовителем и Российским Речным Регистром.
Прогрессирующее старение парка главных и вспомогательных судовых дизелей является причиной увеличения уровня дымности. Ожидаемое введение в действие в ближайшее время нормативно-технических документов касающихся обеспечения экологической безопасности эксплуатации СЭУ может стать причиной запрета их эксплуатации. В связи с этим, исследования направленные на поиск и разработку новых простых и эффективных способов снижения дымности и токсичности отработавших газов судовых дизелей, находящихся в эксплуатации весьма актуальны. Рассмотрим возможность сжигания несгоревших твердых частиц на такте выпуска. Для этого создадим в выпускном патрубке дизеля при помощи резонатора Гельмгольца акустические колебания. Принцип работы резонатора размещенного в потоке газа приведен в работе [10]. Методика расчета резонатора изложена в работе [85]. В лаборатории СДВС НГАВТ для дизеля 410,5/12 спроектировано, изготовлено и испытано устройство для сжигания твердых частиц, содержащихся в отработавших газах. На способ уменьшения дымности и устройство для его
