Содержание к диссертации
Введение
7 CLASS 1 Обзор и анализ работ в области экологической безопасности эксплуатации судовых дизельных энергетических установок. постановка задач исследования 9 CLASS
1.1 Актуальность проблемы уменьшения загрязнения атмосферного воздуха отработавшими газами судовых дизелей 9
1. 2 Анализ основных направлений комплексного улучшения экологических и экономических показателей существующего парка судовых дизелей 18
1.3 Влияние свойств водотопливной эмульсии на экологические и экономические показатели судовых дизелей 28
1.4 Выводы по обзору. Постановка задач дальнейшего исследования 35
2 Теоретическое исследование процесса развития зародыша парогазового пузырька в капле водотопливной эмульсии 37
2.1 Обзор и анализ работ в области изучения отличительных особенностей процесса микросмесеобразования ВТЭ в дизеле. Выбор основы для разработки теоретической модели 37
2.2 Физико-математическая модель парогазового пузырька находящегося в капле ВТЭ, помещенной в нагретую газовую среду 42
2.3 Численное исследование процесса роста парогазового пузырька в капле ВТЭ 48
2.4 Результаты исследования. Выводы 56
3 Исследование процесса микросмесеобразования безводного топлива и втэ. получение микрогетерогенной эмульсии 57
3.1 Анализ основных характеристик ВТЭ и их влияния на рабочий процесс дизеля 57
3.2 Экспериментальное исследование процесса испарения капель ВТЭ в нагретой воздушной среде 63
3.3 Опытная установка для получения микрогетерогенной эмульсии дизельного топлива с водой 70
3.4 Основные результаты исследования. Выводы 75
4 Экспериментальное исследование влияния дисперсности втэ на экономические и экологические характеристики дизеля 76
4.1 Экспериментальная установка, методика проведения испытаний, анализ погрешностей измерений 76
4.2 Исследование рабочего процесса дизеля при работе на безводном топливе, грубой и микрогетерогенной водотопливной эмульсии 82
4.3 Численное исследование рабочего процесса дизеля при помощи характеристик тепловыделения 92
4.4 Основные результаты. Выводы 105
Заключение 108
Список литературы 110
- Анализ основных направлений комплексного улучшения экологических и экономических показателей существующего парка судовых дизелей
- Обзор и анализ работ в области изучения отличительных особенностей процесса микросмесеобразования ВТЭ в дизеле. Выбор основы для разработки теоретической модели
- Экспериментальное исследование процесса испарения капель ВТЭ в нагретой воздушной среде
- Исследование рабочего процесса дизеля при работе на безводном топливе, грубой и микрогетерогенной водотопливной эмульсии
Введение к работе
Актуальность темы. Приняв Федеральный закон № 2222 «Об охране атмосферного воздуха» Российская Федерация обязалась осуществлять международное сотрудничество и выполнять Международные нормы по ограничению загрязнения окружающей среды. Из этого следует, что все судовые дизели, выпускаемые и эксплуатирующиеся в нашей стране должны соответствовать требованиям Технического Кодекса Приложения VI Материалов Международной Конвенции МАР-ПОЛ 73/78.
Среди нормируемых химических соединений содержащихся в отработавших газах дизеля наиболее опасными для природы и человека являются оксиды азота.
В соответствии с требованиями МАРПОЛ 73/79 до 2016 года на Североамериканском побережье США и Канады, а также на Балтийском море, предусмотрено сокращение выбросов оксидов азота более чем в 3,5 раза (на уровне IMO Tier–3).
Уменьшение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля является весьма сложной задачей, так как это связано с ограничениями максимальной температуры цикла, термического КПД и, следовательно с ограничениями по топливной экономичности. Если для вновь проектируемых дизелей генеральным направлением улучшения экологических показателей является разработка адаптивных двигателей и повышение давления впрыскивания топлива, то для дизелей находящихся в эксплуатации альтернативным решением является применение водотопливной эмульсии (ВТЭ).
Эмульсия топлива с водой используется в судовых дизелях выпускаемых корпорациями MAN Diesel & Turbo SE (Германия-Дания) и Mitsubishi (Япония). Целесообразность применения водотопливных эмульсий для снижения вредных выбросов и необходимость проведения дополнительных исследований в этой области отмечалась в выступлениях докладчиков на Международном конгрессе СIMAC-2013.
Поэтому научно-исследовательские работы по применению водо-топливных эмульсий для улучшения экологических показателей судовых дизелей являются актуальными.
Цель исследования. Уменьшение выбросов оксидов азота содержащихся в отработавших газах судового дизеля посредством применения микрогетерогенной эмульсии дизельного топлива с водой.
Объектом исследования являются процессы в дизеле, использующем водотопливную эмульсию с целью улучшения экологических характеристик.
Методика исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Расчёты динамики роста зародыша парогазового пузырька в капле ВТЭ выполнялись посредством численного моделирования. Экспериментальные исследования процесса испарения капли эмульсии в нагретой воздушной среде проводились на специальной опытной установке. Сравнительные испытания влияния дисперсности ВТЭ на рабочие характеристики дизеля выполнялись на дизеле Ч 10,5/12. Концентрация нормируемых газообразных загрязняющих веществ в отработавших газах измерялась газоанализатором, дымность при помощи дымомера. Давление газа в камере сгорания дизеля по углу поворота коленчатого вала определялось стробоскопическим индикатором давления «ДЕКАРТ». Данные, полученные в ходе экспериментальных исследований, обрабатывались на компьютере.
Достоверность и обоснованность полученных результатов
обеспечивалась:
– использованием современных поверенных измерительно-регистрирующих приборов и автоматизированных средств измерения;
– результатами сравнительных стендовых испытаний двигателя на дизельном топливе и водотопливной эмульсии;
– использования современных программных комплексов для выполнения численных исследований;
– удовлетворительным подтверждением результатов теоретических исследований с данными, полученными экспериментальным путем.
Теоретическая и практическая значимость. С использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований спроектирована и изготовлена опытная установка для приготовления микрогетерогенной водотопливной эмульсии.
Сравнительные испытания двигателя на дизельном топливе, грубой и микрогетерогенной эмульсии дизельного топлива показали эффективность использования полученной микрогетерогенной ВТЭ в судовых дизелях без внесения изменений в конструкцию двигателей.
Научная новизна:
– разработана математическая модель процесса роста зародыша парогазового пузырька в капле ВТЭ;
– выполнено численное исследование этого процесса при различных условиях;
– проведено экспериментальное исследование процесса испарения капель дизельного топлива и эмульсии дизельного топлива с водой в нагретой воздушной среде;
– получены результаты сравнительных испытаний дизеля по нагрузочной и винтовой характеристике на дизельном топливе, грубой и микрогетерогенной водотопливной эмульсии;
– численно исследованы и проанализированы характеристики тепловыделения при работе на безводном и эмульгированном дизельном топливах различной дисперсности.
Личный вклад автора заключается:
– в постановке задач и разработке методик проведения теоретических и экспериментальных исследований, обработке и анализе полученных результатов;
– в разработке теоретической модели и выполнении численных исследований динамики роста парогазового пузырька в капле ВТЭ помещенной в нагретую воздушную среду;
– в изготовлении и испытании опытной установки для получения микрогетерогенной водотопливной эмульсии;
– в проведении сравнительных стендовых испытаний двигателя на дизельном топливе, грубой и микрогетерогенной ВТЭ;
– в выполнении численного исследования и анализе характеристик тепловыделения дизеля при работе на различных топливах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на пятой международной научно-практической конференции «АГРОИНФО-2012» (Краснообск, 2012 г); и научно-технических конференциях и семинарах проводимых в Новосибирской государственной академии водного транспорта.
Реализация результатов исследования. Практические рекомендации переданы для внедрения в ФБУ «Администрация Обского БВП» на флоте и в ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» в учебном процессе.
Публикации. По теме диссертации опубликовано десять печатных работ, в том числе шесть в периодических изданиях рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Работа представлена на 129 страницах машинописного текста, включает 14 таблиц, 38 рисунков и список литературы 128 наименований.
Содержание диссертации является составной частью госбюджетной научно-исследовательской работы по теме: «Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания в судовых дизелях» (№ государственной регистрации 01.2.00.109.551).
Анализ основных направлений комплексного улучшения экологических и экономических показателей существующего парка судовых дизелей
Значительный вклад в изучении процессов образования оксидов азота в дизелях и разработки способов их сокращения сделан С.А. Батуриным, Я.Б. Зельдовичем, В.А. Звоновым, В.Г. Кнорре, А.С. Лоскутовым, А.Л. Новоселовым, П.Я. Садовниковым, В.И. Смайлисом, В.Н. Стаценко, Д.А. Франк-Каменецким, В.И.Толшиным, E.K. Bestress, K.M. Chang, W.F. Marshall, R.P. Wilson, J.B. Heywood, I.C. Klek, T. Marayama, K. Yamane и многими другими учеными.
Оксиды азота, содержащиеся в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, представляют собой смесь нескольких компонентов. Это окись азота (NO), двуокись азота (NO2), закись азота (N2O) и другие. Из них нормированию подлежат только два. Это окись азота (NO), количество которого составляет около 90% и двуокись азота (NО2) в количестве около 10%.
Общепризнанной теорией образования оксидов азота в условиях камеры сгорания дизеля является термическая теория, разработанная Я.Б. Зельдовичем [23].
Определяющими факторами, оказывающими влияние на окисление азота воздуха в процессе горения распыленного топлива, являются следующие:
1 Образование оксидов азота происходит за фронтом пламени, в области продуктов сгорания.
2 Количество оксидов азота определяется максимальной температурой горения, концентрацией азота и кислорода в продуктах горения и не зависит от химического состава топлива, участвующего в реакции.
3 Окисление азота происходит по цепному механизму, в котором определяющей химической реакцией является реакция образования монооксида азота:
4 Выход оксидов азота зависит от скорости охлаждения продуктов сгорания. В камерах сгорания происходит процесс «замораживания» оксида азота на уровне максимальной концентрации. При быстром снижении температуры рабочего тела в процессе расширения, концентрация NO практически не уменьшается.
5 В бедных топливновоздушных смесях концентрация монооксида азота определяется максимальной температурой цикла. Концентрация NО в камере сгорания быстро возрастает, при горении преимущественно по кинетическому механизму.
В богатых смесях образование NО перестает зависеть от максимальной температуры и определяется кинетикой «замораживания» образовавшейся окиси азота.
6 Неравномерность распределения температур в зоне продуктов сгорания заметно влияет на выход NО при горении бедных смесей и слабо при горении богатых смесей.
Затем, в выпускной системе двигателя и в атмосфере происходит окисление NО до NО2 по реакции
На процесс образования оксидов азота в цилиндре двигателя также влияет конструкция камеры сгорания и топливной аппаратуры, техническое состояние двигателя, фракционный и химический состав топлива.
В процессе сгорания в один и тот же момент времени локальные температуры газа по объему камеры сгорания могут отличаться весьма значительно и, следовательно, будут отличаться локальные концентрации оксидов азота. Самая низкая концентрация NО наблюдается в тонком пограничном слое газа у поверхности втулки цилиндра. Исследователями, при проведении скоростной киносъемки процесса горения распыленного топлива в камере сгорания дизеля были обнаружены устойчивые по времени и в пространстве локальные зоны горения. Отмечено, что процесс окисления азота в основном происходит в локальных высокотемпературных очагах горения «богатой» смеси.
Общепризнанными мировыми лидерами в области разработки современных технологий сокращения вредных выбросов судовыми дизелями являются ведущие германские компании MAN Diesel & Turbo, MTU Friedrichafen, и американская компания Caterpillar Motoren GMBh.
Рассмотрим основные способы сокращения содержания загрязняющих веществ, которые разработаны и в настоящее время нашли практическое применение в современных транспортных дизелях.
Это способы можно условно разделить на два основных направления:
- внутренние – реализуемые в цилиндре дизеля, которые базируются на управлении и совершенствовании рабочего процесса;
- внешние – основанные на очистке отработавших газов при помощи различных фильтров, катализаторов, устройств предназначенных для дополнительного окисления не полностью сгоревшего топлива и масла, а также применения способа восстановлении оксидов азота при помощи водного раствора мочевины (SCR– процесс).
Ведутся интенсивные исследования, направленные на разработку и использование альтернативных, экологически чистых топлив. К таким топливам относятся: газовый конденсат, различные растительные масла, спирты, диметиловый эфир, сжатый и сжиженный природный газ, водород и другие виды топлив.
Необходимо отметить, что на газовые двигатели требования Международной Конвенции МАРПОЛ 73/78 не распространяются, т.к. по принятой классификации такие двигатели не относятся к двигателям с воспламенением от сжатия. Поэтому газовые двигатели, по согласованию с Регистром, могут устанавливаться и эксплуатироваться на судах без доработки конструкции и без ограничений. В перспективе, кроме сжатого и сжиженного газа, другие виды альтернативных топлив смогут найти широкое практическое применение только в случае острого дефицита и высокой стоимости традиционных нефтяных топлив.
Пока, единственной технологией готовой к внедрению является технология селективного каталитического восстановления оксидов азота аммиаком (SCR– процесс).
Обзор и анализ работ в области изучения отличительных особенностей процесса микросмесеобразования ВТЭ в дизеле. Выбор основы для разработки теоретической модели
Процесс испарения капель водотопливной эмульсии весьма существенно отличается от процесса испарения капель безводного топлива.
При нагреве капель ВТЭ сначала испаряются частицы воды, имеющие более низкую температуру кипения, а уже затем, будут испаряться легкокипящие фракции жидкого углеводородного топлива. Фракцией называют часть топлива, выкипающей в определенном диапазоне температур. При исследовании фракционного состава топлива определяют температуры начала кипения, перегонки 10, 50 и 90 % количества топлива, а также температуру конца кипения. Температура кипения воды при нормальных условиях равна 100 0С. Температура начала кипения дизельного топлива Л-0,2-40 ГОСТ 305-82 равна (188–210) 0С, 50% топлива перегоняется при температуре 280 0С, а 90% топлива перегоняется при температуре 360 0С. Для тяжелых сортов топлива численные значения температуры начала и конца кипения значительно выше, чем у дизельного дистиллятного [71].
Также необходимо иметь ввиду, что процесс испарения жидкого углеводородного топлива в условиях дизельного впрыскивания сопровождается процессом газификации испарившихся углеводородных соединений [94].
В ходе испарения капель ВТЭ, в отличие от процесса испарения капель безводного топлива, имеет место явление, получившее название «микровзрыва». Это происходит в момент, когда давление паров воды внутри капли эмульсии превысит давление создаваемое силами поверхностного натяжения на границе пар-жидкость.
Многие исследователи считают, явление «микровзрыва» оказывает значительное влияние на процессы микросмесеобразования. «Микровзрывы» могут привести к разрушению капли эмульсии. Однако имеются и противоположные мнения, также подтвержденные результатами теоретических и экспериментальных исследований.
Динамика развития «микровзрыва» зависит от множества случайных, взаимосвязанных и пока еще малоизученных физических и химических явлений. Поэтому разработка математической модели процесса развития парогазовой микросферы внутри капли эмульсии в условиях камеры сгорания дизелей является актуальной и весьма сложной задачей.
Большой вклад в разработку осредненной математической модели испарения капли водотопливной эмульсии взвешенной в воздушном потоке был сделан д.т.н., проф. О.Н. Лебедевым и его учениками [45]. К числу ранних работ по исследованию процесса испарения капель ВТЭ его научной школы можно отнести работы [3, 4]. В дальнейшем эта модель получила свое развитие в работах [41, 44, 62]. В экспериментальных и теоретических исследованиях в области изучения особенностей применения ВТЭ в дизельных двигателях принимали участие С.А. Калашников, В.П. Носов, В.Н. Марченко, В.Д. Сисин, В.П. Закржевский, В.Е. Антонов, И.Н. Петриченко, О.И. Линевич, И.Г. Мироненко и другие его ученики.
Рассмотрим основные отличительные особенности этой физической модели. В работе [3] процесс теплообмена капли ВТЭ в нагретой газовой среде условно разделен ни три периода:
- в течение первого периода капля эмульсии прогревается до температуры насыщения воды. Одновременно с этим процессом происходит процесс испарения топлива с поверхности капли; - в течение второго периода образуются пузырьки водяного пара, которые диффундируют к поверхности капли и выбрасываются за пределы капли;
- третий период характеризуется продолжением выброса из капли оставшегося водяного пара и топлива. Окончание третьего периода совпадает с окончанием полного испарения жидкой фазы.
В принятой физической модели теплообмена капли ВТЭ с нагретой средой реализуется идея перегрева капель воды по отношению к температуре насыщения. В соответствии с ней при достижении температуры выше температуры насыщения имеет место спонтанное вскипание воды, в результате чего происходит мощный «микровзрыв» и капля топлива прекращает свое существование.
Механизм взрывного вскипания воды в капле ВТЭ подтвержден результатами экспериментальных исследований, которые приведены в работах [95, 97, 98].
Однако следует отметить, что в модели О.Н. Лебедева, с увеличением размера частиц воды в эмульсии будет увеличивается и время, затрачиваемое на их прогрев воды, испарение и перегрев водяного пара. Это в свою очередь должно увеличить период задержки воспламенения топлива, и способствовать затягиванию процесса сгорания по углу поворота коленчатого вала. Как следствие должен увеличиться удельный эффективный расход топлива. Однако это не согласуется с опубликованными экспериментальными данными приведенными в главе 1.
Отдавая должное глубокому и фундаментальному подходу научной школы О.Н. Лебедева в изучении процессов тепломассобмена капель ВТЭ с нагретой газовой средой, следует признать, что разработанная физико-математическая модель не является универсальной и нуждается в дальнейшем развитии. Целью теоретического исследования является изучение динамики развития парогазовой каверны внутри капли ВТЭ при различных внешних условиях.
Скорость роста парогазового пузырька является одним из характерных параметров определяющих время существования капли ВТЭ. Этот показатель «микровзрыва» не может оказывать своего воздействия на скорость процесса сгорания и тепловыделения, которые связаны с экологическими и энергетическими характеристиками дизеля.
Для выполнения теоретического исследования процесса роста парогазовой каверны в капле ВТЭ, за основу примем теорию о механизмах фазовых превращения предложенную д.т.н., проф. Исаковым А.Я [26], которая предоставляет возможность изучения влияния размера дисперсной фазы в водотопливной эмульсии на скорость роста парогазового пузырька.
Термофизическая модель А.Я. Исакова основывается на гипотезе возникновения ядер в капле ВТЭ в виде парогазовых зародышей. При определенной критической температуре, они теряют устойчивость и начинают увеличиваться в объеме за счет интенсивного испарения воды.
Для расчета скорости роста парогазового пузырька в этой модели используется известное уравнение Эйлера, описывающее динамику изменения размера зародыша при кавитации. Теоретические основы динамики изменения размеров кавитационных зародышей в водной безграничной несжимаемой среде изложены в монографиях [1, 2, 33, 51, 72].
Экспериментальное исследование процесса испарения капель ВТЭ в нагретой воздушной среде
Целью экспериментального исследования является подтверждение адекватности принятой нами для проведения численного исследования физической модели.
При проведении теоретического исследования динамики развития парогазовой каверны в капле ВТЭ, нами была выбрана физическая модель А.Я. Исакова, в которой парогазовый зародыш начинает свое развитие, находясь внутри частицы воды, которая помещена в каплю топлива (рисунок 2.1).
Включения воды внутри капли эмульсии существуют одновременно в жидкой и паровой фазах, т.е. в виде жидкости и парогазовых зародышей.
Проверим соответствие принятой физической модели реальной действительности.
Для этого рассмотрим характер распределения включений воды по объему капли ВТЭ.
Здесь также отсутствует единая точка зрения. Одни исследователи считают, что частицы воды, отталкиваясь друг от друга за счет одноименных электрических зарядов, распределены в объеме капли ВТЭ равномерно, другие, на основе сделанных ими фотографий доказывают обратное – включения воды сосредоточены в центре капли.
В качестве подтверждения второй версии, можно привести фотографии капли водотопливной эмульсии изображенные на рисунке 3.1. Тогда, по нашему мнению, в случае сосредоточения капель воды в центре капли топлива, при мгновенном прогреве включений воды до температуры парообразования (физическая модель О.Н. Лебедева), пленка, содержащая ПАВ должна исчезнуть, отдельные паровые пузырьки должны слиться в один, в результате чего должен произойти объемный микровзрыв.
Такой вид объемного микровзрыва экспериментально был получен С.В. Титовым при испарении капли безводного топлива в нагретой возмущенной воздушной среде. Опытами установлено, что результате интенсификации процесса тепломассообмена с нагретой окружающей средой внутри капли образовалось несколько отдельных парогазовых каверн, которые при отсутствии сил электрического взаимодействия соединились в одну общую каверну. В процессе дальнейшего роста общей каверны произошел один объемный микровзрыв [85].
Исследуем отличительные особенности процессов испарения капель безводного и эмульгированного топлива в нагретой воздушной среде. Опыты проводилось в лаборатории СДВС НГАВТ на специальной экспериментальной установке.
Общий вид экспериментальной установки показан на рисунке 3.2, а на рисунке 3.3 приведена её принципиальная схема.
Капля эмульсии 2 подвешивалась на стеклянном шарике, закрепленном на вольфрамовой проволочке 3. При помощи электромагнита 4, державка 3 с каплей ВТЭ, подавалась в нагретый воздух.
Температура внутри печи измерялась потенциометром и хромель-копелевой термопарой.
Процесс испарения капли топлива записывался на цифровую видеокамеру 5 марки Panasonic и затем выводился на экран монитора компьютера. При обработке результатов эксперимента в качестве масштаба линейного размера использован размер круглого стержня державки диаметром 0,75 мм.
Опыты проводились в следующем порядке. После достижения температуры воздуха в печи задаваемого нами значения, державка с каплей топлива при помощи специального координатного устройства подводилась под прорезь в нижней части электрической печи. Это давало возможность избежать нагрева и испарения капли посредством лучистого теплообмена. Затем, после включения видеокамеры подавалось питание на электромагнит, и державка вместе с подвешенной на ней каплей топлива подавалась в печь.
На рисунке 3.4 показаны фрагменты видеосъемки процесса испарения капли дизельного топлива, а на рисунке 3.5 капли водотопливной эмульсии. Черный цвет капли эмульсии (в сравнении с каплей безводного дизельного топлива) обусловлен окраской её мазутом, который использовался нами в качестве эмульгатора.
Анализ полученных результатов показал следующее.
В капле безводного дизельного топлива помещенной в нагретую воздушную среду испарение происходит с поверхности капли. Наличие парогазовых пузырьков внутри капли не видно. В данном случае процессы тепломассопереноса осуществляется посредством диффузии паров топлива и нагретого воздуха.
Внутри капли водотопливной эмульсии наблюдаются процессы образования и последовательного роста парогазовых пузырьков. После соприкосновения оболочек пузырька и капли происходит разрыв оболочек, и выброс пара за пределы капли. Парогазовые пузырьки разрушаются отдельно, последовательно и независимо друг от друга. Явлений объемного взрыва в капле эмульсии не отмечено.
Проведем анализ полученных результатов.
Известно, что в процессе распыливания жидкости, образующиеся капли приобретают одноименный статический электрический заряд, который сосредоточен на их поверхности [84]. Электрическим зарядом обладают как капли топлива, так и включения воды находящиеся в внутри капли. Если отталкивающая сила электрического заряда сосредоточенного на поверхности капли топлива, будут превышать силы взаимодействия статических зарядов сосредоточенных на поверхности капель воды, то капли воды соберутся в центре. В случае, когда расклинивающие кулоновские электрические силы между частицами воды будут больше силы направленной от поверхности капли топлива к частицам, то включения воды будут смещаться от центра к периферии. Это будет способствовать более равномерному распределению частиц воды внутри капли топлива.
Исследование рабочего процесса дизеля при работе на безводном топливе, грубой и микрогетерогенной водотопливной эмульсии
Дизель Ч 10,5/12 имеет полуразделенную камеру сгорания и объемно-пленочное смесеобразование. Камера сгорания представляет собой полусферу, утопленную на половину диаметра в донышко поршня.
Перед тем, как приступить к испытаниям, на дизеле была проведена внеплановая профилактика и регулировка в соответствии с требованиями завода изготовителя. После этого, во время проведения исследований, никаких дополнительных регулировок двигателя, замен деталей и узлов не проводилось.
Запуск дизеля осуществлялся на безводном топливе. Затем, после прогрева, дизель переводился на водотопливную эмульсию.
Эмульсия готовилась непосредственно перед началом проведения испытаний. Расслоение эмульсии предотвращалось за счет её перемешивания сначала в опытной установке, а затем, в расходном баке.
Для исследований применялось дистиллятное дизельное топливо ГОСТ 305-82 «Л» с температурой вспышки 61 С.
В качестве эмульгатора использовался мазут 40 в количестве 5 % от суммарного объема топлива и воды.
После проведения испытаний двигателя на ВТЭ топливная система тщательно промывалась чистым безводным топливом.
На рисунке 4.3 представлены результаты сравнительных испытаний дизеля на дистиллятном дизельном топливе и на грубой эмульсии с содержанием воды 5 и 15 %. Примем к сведению, что рекомендуемое оптимальное содержание воды в ВТЭ дизельное топливо +вода составляет (15– 17) % [40].
Грубая эмульсия была изготовлена на установке по конструкции аналогичной ВТЭ-3 [40].
Здесь приняты следующие обозначения; N – дымность отработавших газов по шкале Hartrige, %; NOx – концентрация оксидов азота, ppm; be – удельный эффективный расход топлива, г/(кВтч); tg – температура отработавших газов, С; СО – концентрация оксида углерода, ppm; СН -концентрация углеводородов, ppm.
1 – дизельное топливо;
2 – грубая водотопливная эмульсия с содержанием воды 5 %, dw = (10 – 15) мкм;
3– грубая водотопливная эмульсия с содержанием воды 15 %, dw = (10 – 15) мкм. Из приведенных графиков видно, что с увеличением содержания воды в эмульсии уменьшается концентрация всех нормируемых вредных (загрязняющих) веществ в отработавших газах, а также температура отработавших газов.
Отметим, что одновременно с этим, на номинальном режиме на 43 г/(кВтч) при содержании воды в эмульсии равном 15% увеличивается удельный эффективный расход топлива.
Далее, были проведены испытания дизеля на микрогетерогенной эмульсии, приготовленной на опытной установке, общий вид и принцип работы которой приведены в главе 3.
На рисунке 4.4 приведены результаты испытаний отсека на дизельном топливе и микрогетерогенной ВТЭ с содержанием воды 5 и 15 %.
дизеля Ч 10,5/12 при частоте вращения коленчатого вала равной 1500 об/мин.
1 – дизельное топливо;
2 – микрогетерогенная эмульсия 5 % воды, (dw менее 3 мкм);
3 – микрогетерогенная эмульсия 15 % воды.
Из приведенных графиков видно, что при работе на микрогетерогенной эмульсии закономерности, касающиеся снижения выбросов вредных веществ и уменьшения температуры отработавших газов, при увеличении содержания воды в эмульсии сохраняются. При содержании воды равной 5% отмечается увеличение концентрации углеводородов, в сравнении с работой на безводном топливе.
Отличительной особенностью работы дизеля на микрогетерогенной эмульсии является незначительное на (4–5) г/(кВтч) при содержании воды 15 % повышение удельного эффективного расхода топлива.
Из приведенных на рисунке 4.4 результатов исследований видно:
- при переводе дизеля с безводного топлива на грубую эмульсию, на номинальном режиме, концентрация оксидов азота увеличилась в 1,3 раза, дымность отработавших газов с 12 до 7,5 %. Удельный эффективный расход топлива на увеличился 43 г/(кВтч);
- при переводе дизеля с безводного топлива на полученную на опытной установке микрогетерогенную эмульсию, на номинальном режиме, концентрация NOx сократилось в 1,4 раза, дымность уменьшилась с 12 до 7 %. Удельный эффективный расход топлива увеличился всего на (4–5) г/(кВтч), что находится в пределах ошибки измерений.
Такое несовпадение полученных нами результатов по удельному эффективному расходу топлива, с результатами, которые приведены в [128], можно объяснить различными способами приготовления ВТЭ и, как следствие, её различными свойствами.
Исследования показали целесообразность использования
микрогетерогенной эмульсии во вспомогательных судовых дизелях, работающих при постоянной частоте вращения коленчатого вала.
Проведем исследования рабочего процесса дизеля при работе при различной частоте вращения коленчатого вала. В качестве скоростной характеристики выберем винтовую рабочую характеристику, по которой работают главные судовые энергетические установки.
На рисунке 4.6 приведены винтовые характеристики дизеля при работе на дизельном топливе и грубой эмульсии с различным содержанием воды.
