Введение к работе
Актуальность исследований. Одной из проблем, стоящих сегодня особенно остро перед судоходными компаниями России, является старение парка судов Длительное отсутствие финансирования, сокращение объёмов перевозок привели к тому, что флот с 1989 года практически не обновлялся. Сложившаяся ситуация грозит тяжелыми последствиями для отрасли, так как замена устаревшего флота на современный займет очень много лет и потребует колоссальных финансовых вливаний, а освободившуюся нишу на внутренних перевозках быстро займут зарубежные судоходные компании, активно стремящиеся на внутренний рынок водных путей России
В соответствии с поручением Президента Российской Федерации В В Путина, Министерство промышленности и энергетики РФ в 2006 году приступило к разработке программы по восстановлению российского судостроения, в рамках которой планируется выделение средств, предназначенных для поддержки отрасли на основе государственно-частного партнерства. Вместе с тем, остается не ясным вопрос о способности конкретных российских предприятий исполнять заказы на строительство и ремонт современных судов
Выход из сложившейся кризисной ситуации видится в продлении срока эксплуатации судовых дизелей сверх нормативного значения (назначенного ресурса) для того, чтобы дать Судовладельцам возможность увеличить доходную часть бюджетов их судоходных компаний, пароходств и сократить расходную часть Или, проще говоря, дать им возможность заработать деньги на инвестирование обновления флота. А для этого, в свою очередь, необходимо развивать новые виды перевозок - по малым и боковым рекам Сибири и Дальнего Востока в нефте- и газоносные районы Характерной особенностью таких рек являются сложные судоходные условия: высокие скорости течения, крутые повороты, перекаты, мелководье и т.п Эти обстоятельства вынуждают судоводителя часто форсировать двигатели, что, как известно, не способствует увеличению их ресурсных показателей
Львиную долю стоимости перевозок (около 70%) составляют расходы на топливо и смазочные материалы Сократить эту расходную статью можно за счет применения тяжелых сортов топлива Стоимость флотского мазута Ф5 почти вдвое меньше дизельного топлива марки Л-ОД Основной проблемой при переводе дизелей на тяжёлое топливо является ухудшение качества рабочего процесса Как правило, при этом затягивается процесс сгорания, двигатель начинает дымить, наблюдается перегрев деталей ІЩГ, что в конечном итоге также приводит к увеличению скорости изнашивания
Следовательно, проблема увеличения срока эксплуатации изношенных двигателей, являющаяся, несомненно, актуальной для нашей страны, требует проведения мероприятий, которые, при минимальных затратах на модернизацию СЭУ, позволят повысить качество рабочего процесса дизелей, а так же обеспечат восстановление изношенных деталей и уменьшение интенсивности их изнашивания в процессе последующей эксплуатации
В качестве таких мероприятий по совершенствованию качества рабочего процесса, позволяющего улучшить экономические, экологические и ресурсные показатели судовых дизелей может послужить применение водотопливных эмульсий (ВТЭ) в сочетании с ремонтно-восстановительными препаратами, присаживаемыми к топливу и маслу. Данный метод весьма эффективен в действии. Он позволяет в большинстве случает сократить расходы топлива и смазочных материалов, существенно форсировать дизель, организовать качественный рабочий процесс при использовании тяжёлых сортов топлива, увеличить срок службы распылителей форсунок и выпускных клапанов, уменьшить дымность и токсичность отработавших газов
Метод достаточно прост в реализации. Известные установки для приготовления ВТЭ могут бить изготовлены на любом судоремонтном предприятии Они недороги и легко автоматизируются. Применение ВТЭ не требует каких-либо переделок дизеля, не связано с использованием дефицитных материалов, не нуждается в больших капиталовложениях, не вызывает опасности для здоровья обслуживающего персонала.
Однако в этой области имеется ряд важных малоизученных проблем. Здесь, прежде всего, необходимо отметить отсутствие исследований по определению области рационального применения ВТЭ В большинстве случаев перевод дизелей на ВТЭ сопровождается уменьшением расхода топлива, иногда такого эффекта не наблюдается, а в некоторых опытах расход топлива даже несколько возрастает Такая неопределенность вызывает у двигателестрои-телей и эксплуатационников некоторое недоверие к ВТЭ и существенно мешает ее широкому практическому использованию В связи с этим возникает задача определить область рационального применения этого вида топлива
Весьма важным вопросом для оценки влияния ВТЭ на рабочий процесс дизеля являются закономерности тепломассообмена ее капель с горячей пульсирующей воздушной средой Характерной особенностью этого процесса является наличие «микровзрывов» Учитывая, что они носят случайный характер, создать более или менее точную математическую модель процесса тепломассообмена капли ВТЭ практически невозможно Однако, осредненная, условная картина этого явления может быть описана математически. И такие попытки уже сделаны. Одна из самых последних работ в этой области предусматривает наличие ряда последовательных «микровзрывов» Все время существования капли эмульсии разбито на несколько периодов, в течение которых происходит нагрев капли до температуры Тп перегрева воды; вскипание воды, имеющее взрывной характер («микровзрыв»), увеличение диаметра капли ВТЭ под действием образующихся в капле эмульсии водяных паров, приводящее к возникновению второго и последующих «микровзрывов» Данная модель наиболее близко подходит к описанию реальной картины физических процессов происходящих при тепломассообмене капли эмульгированного топлива. Однако и в ней существует ряд вопросов, ответа на которые еще нет Так, напри-мер, температура перегрева воды находится из экспериментальных данных и описывается полиномиальным уравнением первой степени, что не отражает реальной картины происходящих физических процессов Условием возникно-
вения второго и последующих «микровзрывов» в рассматриваемой модели является критическое значение диаметра капли ВТЭ, который определяется как =1Л5-й основании статистических данных. Рассматриваемая модель описывает тепломассообмен капли одно-фракционного эмульгированного топлива, то есть либо только моторного, либо только дизельного. Присутствие в дисперсионной среде других топливных фракций (например, бензиновых лли мазутных и т д ) не предусмотрено Таким образом, можно сделать заключение о том, что до настоящего времени нет достаточно обоснованной физико-математической модели процесса тепломассообмена капель ВТЭ с окружающей газовой средой Следовательно, работы в этом направлении, по-прежнему, остаются актуальными
Нет единства среди исследователей и в вопросе о влиянии ВТЭ на износостойкость основных деталей дизеля С одной стороны, уменьшение тепло-напряжённости деталей ЦПГ приводит к уменьшению скорости их изнашивания С другой — применение эмульгированного топлива увеличивает коррозию топливной системы, втулок цилиндров, поршней и поршневых колец.
До настоящего времени не изучены особенности макросмесеобразования при использовании эмульсий в высокотемпературных средах, не установлены основные причины улучшения качества рабочего процесса дизеля на этом виде топлива Кроме этого, очень противоречивы сведения по влиянию ВТЭ на надежность работы топливной аппаратуры (фильтрация ВТЭ, образование геля, износостойкость и др ) Всё это сдерживает широкое применение ВТЭ на практике
Пень исследования- разработка теоретических положений, технологических и инженерных решений, обеспечивающих качественное приготовление водотопливных эмульсий и их последующее применение в судовых дизелях, находящихся в эксплуатации, для улучшения экономических, экологических и ресурсных показателей
Научная новизна работы
-на основе выполнения и обобщения теоретических и экспериментальных исследований особенностей развития процессов в цилиндре двигателя, в топливной аппаратуре, в сопрягаемых трущихся поверхностях ответственных деталей двигателя при использовании ВТЭ предложен комплекс мероприятий, обеспечивающих улучшение экономических, экологических и ресурсных показателей дизелей, позволяющих продлить срок их эксплуатации;
определена область наиболее рационального применения ВТЭ в дизелях, обеспечивающая гарантированное повышение экономичности. Установлены критерии, позволяющие эту область определять, как при теоретических расчётах, так и при экспериментальных исследованиях,
разработана математическая модель тепломассообмена капли эмульгированного топлива с горячей возмущенной газовой средой, учитывающая одновременно и фракционный состав топлива, и температуру перегрева воды в капле ВТЭ, и условия возникновения второго и последующих микровзрывов,
выполнен обширный вычислительный эксперимент, в результате которого уточнены закономерности тепломассообмена капель одно-фракционного
эмульгированного топлива, установлены особенности процесса прогрева и испарения капли эмульгированного топлива широкофракционного состава (ТШФС) в горячей возмущенной газовой среде,
-установлены основные закономерности процессов макросмесеобразования, воспламенения и горения струи распыленного эмульгированного топлива, исходя из которых, обобщены и дополнены основные причины улучшения качества рабочего процесса дизеля с объемным смесеобразованием при переводе его на ВТЭ,
установлены основные факторы, определяющие надежность работы топливной аппаратуры на ВТЭ Предложены методы борьбы с негативными последствиями воздействия ВТЭ на детали топливной аппаратуры Впервые предложено и экспериментально подтверждено использование ремонтно-восстановительного препарата FENOM, относящегося к группе кондиционеров металла, для многократного повышения стабильности эмульгированного дизельного топлива до нескольких суток. Обнаружено явление «самоликвидации» ВТЭ под действием FENOM. Дано объяснение этому явлению,
сформулированы и экспериментально подтверждены основные требования к фильтрам для очистки ВТЭ от механических примесей, предложены конкретные фильтровальные материалы Установлены качественные и количественные зависимости электроемкости ВТЭ и её оптической проницаемости от объемной доли воды в эмульсии и температуры ВТЭ, позволяющие в дальнейшем разрабатывать многоканальные микропроцессорные измерительные устройства для определения и контроля содержания водной фазы в эмульгированном топливе,
впервые изменение износостойкости основных деталей дизеля при его переводе на ВТЭ оценивается методом спектрального анализа картерного масла без разборки трибосопряжений, что позволяет исключить искажения, вносимые в результаты измерений процессом вторичной приработки трущихся поверхностей, неизбежно возникающих при выполнении сборочно-разборочных операций;
стендовыми и производственными испытаниями доказано, что при эксплуатации изношенных дизелей, при форсировках, при работе на тяжёлых сортах топлива применение ВТЭ позволяет улучшить экономические, экологические и ресурсные показатели ДВС
Достоверность и обоснованность результатов проведенного комплекса исследований обеспечивается использованием прогрессивных методик эксперимента, использованием современной поверенной измерительно-регистрирующей аппаратуры, проверкой адекватности численного и натурного экспериментов, удовлетворительным совпадением результатов развиваемых теоретических положений, экспериментов и данных опытной эксплуатации с ранее опубликованными данными других авторов, многократным повтором опытов
Практическая ценность работы заключается в том, что теоретические и экспериментальные исследования доведены до уровня технического проекта автоматизированной системы приготовления водотопливной эмульсии, согла-
сованного с Российским Речным Регистром Созданы конкретные устройства и механизмы Подтверждена эффективность их использования в практике эксплуатации судовых дизелей, отработавших назначенный ресурс, испытывающих частые и продолжительные форсировки, работающих на тяжёлых сортах топлива для достижения существенного увеличения экономичности, снижения дымности и токсичности отработавших газов и продления срока эксплуатации
Реализация результатов Материалы диссертационной работы внедрены
- в Западно-Сибирском речном пароходстве в ходе выполнения научно-
исследовательских работ «Исследование повышения эффективности примене
ния водотопливной эмульсии тяжелых топлив в СЭУ речных судов», «Приме
нение водотопливной эмульсии для восстановления распылителей форсунок
судовых дизелей», «Теоретические и лабораторные исследования процессов
фильтрации водотопливных эмульсий, используемых в судовых дизелях»,
-в Новосибирском филиале Центрального технико-конструкторского бюро МРФ при разработке технического проекта малогабаритной установки для приготовления водотопливной эмульсии, используемой для модернизации теплоходов пр 911В и Р-14А,
-в ООО «Алтайречфлот» (г. Барнаул), ОАО «Новосибирский речной порт» при изготовлении водотопливного диспергатора ДРП-50/8000 и оборудовании им судов проекта Р-14А и 911В,
-в ОАО «Ростовское ЦПКБ «Стапель» при проектировании судовых систем подготовки тяжелого топлива и для разработки безотходной технологии утилизации подсланевых нефтесодержащих вод;
- в Новосибирском институте инженеров водного транспорта при созда
нии математической модели электронного компьютерного тренажера судоме
ханика
Имеются Акты внедрения
Материалы диссертации и конструкторская документация на водотоп-ливные диспергаторы роторно-пульсационного типа были переданы в рамках выполнения НИОКР для технологической подготовки производства и внедрения в ОАО «Сахаэнерго» и ОАО «Барнаултрансмаш»
Апробация Результаты научных исследований на различных этапах их выполнения были доложены
-на заседаниях научно-технических Советов Западно-Сибирского речного пароходства (г Новосибирск, 1990 г ), Госконцерна «Росречфлот» (г. Москва, 1991 г ), ОАО Ростовское ЦПКБ «Стапель» (2005 г )
- заседаниях кафедр ТиСЭУ и СДВС НИИВТа (г Новосибирск, 1992 г),
двигателей внутреннего сгорания АГТУ (г Барнаул, 2005 г.), расширенном
заседании кафедры Технологии металлов и судового машиностроения НГАВТ
(г Новосибирск, 2006 г %
-юбилейной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и инженерно-технических работников речного транспорта (г Новосибирск, НГАВТ, апрель 2001 г.), ХП-м Всероссийском
семинаре «Динамика многофазных сред» (г Новосибирск, ИТПМ СО РАН, декабрь 2001 г), 1-м межрегиональном семинаре «Применение новых технологий и материалов для увеличения ресурса узлов трения» (г. Красноярск, ИХХТ КНЦ СО РАН, февраль 2002 г), 6-м Международном Российско-Корейском научно-техническом симпозиуме «Science and Technology KORUS-2002» (г Новосибирск, НГТУ, июнь 2002 г.), научно-практической конференции «Роль науки и образования в решении проблем водного транспорта» (г Красноярск, КЗФ НГАВТ, июнь 2002 г); 2-м Международном Российско-китайском семинаре «Fundamental problems and modem technologies of material science (FPMTMS)» (г Барнаул, АГТУ, октябрь 2002г ), научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава НГАВТ (г Новосибирск, НГАВТ, март 2003 г.); 1-ой Всероссийской отраслевой научно-практической конференции «Роль науки и образования в решении проблем водного транспорта» (г Красноярск, КЗФ НГАВТ, апрель 2003 г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения» (г Челябинск, ЮУрГУ, апрель 2003 г), Всероссийском конгрессе двигателестроителей (г С-Петербург, ЦНИДИ, июнь 2003 г % Ш-ей Международной конференции «Автомобиль и техносфера» (г Казань, КГТУ-КАИ, июль 2003 г у Международном конгрессе «Механика и трибология транспортных систем - 2003» (г Ростов на Дону, РГУПС, сентябрь 2003 г.); Ш-м семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (г Барнаул, АГТУ, 2004 г), 6-ой Международной практической конференции «Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций» (г С -Петербург, СПбГПУ, апрель 2004 г % Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Двигатели внутреннего сгорания - современные проблемы, перспективы развития» (г Барнаул, АГТУ, 2006 г)
Публикаї^ии Основное содержание диссертации отражено более чем в 50 научных публикациях. В том числе 11 работ, в ведущих рецензируемых научных журналах, 11 - в материалах научных конференций; 1 монография и 7 научно-технических отчетов по НИР
Структур* и объём работы. Диссертация, объемом 270 страниц машинописного текста, состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы из 236 наименований, 143 рисунков В приложение вынесены материалы прикладного характера, не вошедшие в основной текст.
