Снижение вредных выбросов судового дизеля в переходных режимах Якунчиков, Владимир Владимирович

Введение к работе

Актуальность работы

В течение ,ряда последних лет международные организации, ведающие охраной окружающей среды, постоянно повышают требования к эмиссии токсичных выбросов ОГ дизелей. Вместе с тем, зарубежные нормы существенно жестче, чем нормы, установленные в России. Например, в США ужесточение норм на токсичные выбросы касается прежде всего СЭУ судов, работающих в 7 - мильной прибрежной зоне. Известно, что в портах превышение норм по выбросам ОГ особенно относится к судам, работающим в маневровых режимах (швартовка, отход от причала, пуск и прогрев двигателя). Выполнение перспективных норм по вредным выбросам ОГ особенно сложно реализовать для дизелей с газотурбинным наддувом. Разработанные средства снижения вредных выбросов на установившихся режимах, такие как использование водо-топливной эмульсии (ВТЭ), прямое впрыскивание воды в цилиндр двигателя, являются малопригодными для дизелей, работающих в маневровых режимах из-за опасности попадания воды в масло дизеля и удаления воды из топливной аппаратуры, наличие которой может быть вызвано возможным расслоением ВТЭ. Развивающиеся в настоящее время средства очистки ОГ с помощью каталитических нейтрализаторов пока еще дороги по стоимости. Также малоэффективно применение для неустановившихся режимов рециркуляции газов, которая эффективна для снижения NO_x, но не эффективна для снижения продуктов неполного сгорания. Направление исследования было нацелено на поиск эффективных способов снижения вредных выбросов судовых среднеоборотных дизелей с турбонаддувом в эксплуатационных (установившихся и переходных) режимах при одновременном обеспечении невысоких эксплуатационных затрат. Область исследования ограничивается дизелями с умеренным турбонаддувом (степень наддува 1.3-1.6), который имеют большинство дизелей речных судов: 6ЧСПН 15/18 (ЗД6, ЗД12), 6ЧСПН 18/22, 6НФД26А, 6НФД36А, 6НФД48АУ, 6Л16/22.5 ПНС, 6Л275 ПН.

Цель работы

Йа основании выбранного направления исследования в диссертации поставлены следующие задачи:

1. Провести экспериментальное исследование рабочего процесса судового пропульсивного двигателя с турбонаддувом (тс_к =1.3) в экс-

плуатационных (установившихся и переходных) режимах с целью вы
явления основных зависимостей содержания оксидов азота (NO_x) и
продуктов неполного сгорания в ОГ дизеля от характера его режимов
работы для разработки эффективных средств снижения вредных, выбро
сов. , - -

1. Разработать математическую модель и программу расчета, позволяющих оценивать индикаторные и эффективные показатели, содержание NO_x и сажистых частиц при работе дизеля с п_к =1.3+1.6 в эксплуатационных режимах, а .также различные способы снижения токсичных выбросов.

2. Провести расчетные исследования с целью анализа эффективных способов снижения вредных выбросов и разработать рекомендации для среднеоборотного судового дизеля с я_к=I .3+1.6.

3. Экспериментально подтвердить эффективность способов снижения вредных выбросов, полученных расчетным путем.

Научная новизна

1. Экспериментально показано, что в переходном режиме про-
пульсивного дизеля с турбонаддувом (при разгоне до номинального
значения крутящего момента) имеет место увеличение концентрации
сажистых частиц в 5-6 раз (с 150 мг/м³ на номинальном режиме до 800-
900 мг/м³ в начальный момент разгона), обусловленное попаданием час
ти топливной струи на стенки камеры сгорания. Имеет место также пе
ререгулирование на 20% концентрации оксидов азота при разгоне (1100
ррт в начале разгона и 930 ррт на установившемся режиме). Удельные
выбросы NO_x повышаются до 50 г/кВтч в начальный момент разгона и
снижаются до номинального значения 10 г/кВтч за 30-40 секунд при
выходе дизеля на установившийся режим.

Впервые показано, что главными вредными выбросами среднеоборотных судовых дизелей с 7і_к= 1.3+1.6 в переходных режимах являются не сажистые частицы, a NO_x. Массовое соотношение выброса NO_x и сажи при разгоне достигает 8:1 для дизеля с тс_к= 1.3.

2. Путем расчетного и экспериментального исследования уста
новлено, что в переходном режиме содержание оксидов азота в ОГ за
висит от периода задержки самовоспламенения топлива, коэффициента
избытка воздуха и температуры в цилиндре, а также обоснована право
мерность использования формулы фирмы В.яртсиля для скорости обра
зования оксидов азота dNO_x/dx, которая отражает эту зависимость.

3. Расчетным исследованием установлено, что содержание сажистых частиц в переходном режиме в основном зависит от количества топлива, попавшего в пристеночную зону камеры сгорания. Предложены эмпирические зависимости для относительного значения концентрации сажи на переходных режимах в зависимости от коэффициента избытка воздуха в топливной струе и на установившихся режимах в зависимости от коэффициента избытка воздуха и задержки самовоспламенения топлива. .

4. Методика расчета эксплуатационных режимов пропульсивного дизеля, разработанная ранее на кафедре СЭУ и Автоматики МГАВТ и усовершенствованная путем расчета тепловыделения в цилиндре двумя экспонентами по методу И. И. Вибе позволяет оценивать содержание оксидов азота и сажистых частиц при различных изменениях параметров элементов системы дизель - турбокомпрессор - регулятор скорости -винт - судно и характера эксплуатационных режимов.

5. Путем расчетного исследования показано, что применение комбинированной системы регулирования угла опережения подачи топлива и системы регулирования остаточного давления в топливопроводе является эффективным способом, который позволяет для дизеля с объемным смесеобразованием (п_х = 1.3) при частичном разгоне в течение 30 сек снизить суммарные выбросы N0* на 60%, суммарные выбросы сажи на 20% и максимальные выбросы сажи на 50% без заметного влияния на время переходного процесса дизеля и судна.

Практическая ценность работы

1. Обоснованы законы управления углом опережения подачи топлива, величиной цикловой подачи, остаточным давлением в топливопроводе, а также подачей дополнительного воздуха в переходных режимах дизеля с турбонаддувом (7Г_К= 1.3-ГІ.6) с целью снижения выбросов оксидов азота и дымности в зависимости .от степени наддува.

2. Разработанная математическая модель может быть использована для расчетных исследований работы СЭУ в эксплуатационных режимах и определяет величины токсичных выбросов ОГ при изменении режима работы и конструкционных параметров СЭУ.

3. Апробированные устройства - временный ограничитель хода рейки и система подачи дополнительного воздуха - могут быть использованы для снижения вредных выбросов ОГ дизелей в переходных режимах.

4. Создан стенд, на базе которого можно исследовать процессы в цилиндре, в топливной аппаратуре, турбокомпрессоре и вредные выбросы ОГ в установившихся и переходных режимах судового дизеля с комплексом программ для автоматизированной обработки на ПЭВМ сигналов от датчиков, установленных на двигателе и на турбокомпрессоре, позволяющий получить основные показатели работы дизеля и турбокомпрессора.

Достоверность данных и методики

Достоверность данных обеспечивается достаточно большой серией экспериментов (15), а достоверность методики подтверждается путем сравнения экспериментальных и расчетных данных. Различие при моделировании среднего индикаторного давления р,^ от реального составляло до 6%, максимального давления сгорания p_z от реального составляло до 3%.

Реализация работы

4. Предложенное автором устройство установлено на теплоходе "Москва-189". В результате испытаний показано снижение дымности при разгоне и набросе нагрузки на 40%.

5. Разработанный и созданный стенд по исследованию работы СДВС используется для .проведения НИР и учебного процесса для студентов специальности 14.02 и 24.05.

Апробация работы

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно - техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию двигателей внутреннего сгорания в МГТУ им. Н. Э. Баумана в 1995, 1996 и 1997 годах, на научно - методической и научно - исследовательской конференции МАДИ (ТУ) в 1996г, на симпозиуме II международной транспортной выставки "Транстэк - 96", а также международном семинаре «Двигатель-97» (МГТУ).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ,^! отдельные разделы диссертации содержатся в отчетах научно - исследовательских работах кафедры СЭУ МГАВТа, участником которых был автор.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 158 страниц основного текста, включая 57 рисунков, 16 таблиц и 6 страниц приложений. Список литературы включает 107 наименований.