Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы уменьшения выбросов оксидов азота дизельными двигателями 9
1.1. Состав отработавших газов дизельных двигателей 10
1.2. Нормирование токсичности отработавших газов судовых дизельных двигателей и способы ее снижения 21
1.3. Уменьшение выбросов оксидов азота путем организации рабочих процессов 31
1.4. Повышение технического состояния дизельного двигателя путем организации рабочих процессов 36
1.5. Выводы по главе 1, постановка целей и задач исследования 40
2. Влияние организации рабочих процессов на выбросы оксидов азота дизельного двигателя повышенной оборотности 43
2.1. Механизм образования вредных и токсичных веществ в процессе сгорания топлива 44
2.2. Влияние угла опережения впрыска топлива на экологические и экономические показатели дизельного двигателя 54
2.3. Влияние угла наклона топливных струй на экономические показатели дизельного двигателя 58
2.4. Влияние показателей рабочих процессов на срок службы дизельного двигателя 62
2.5. Выводы по главе 2 64
3. Оптимизация рабочих процессов дизельного двигателя для уменьшения выбросов оксидов азота 65
3.1. Блок-схема оптимизации рабочих процессов дизельного двигателя... 65
3.2. Оптимизация рабочих процессов по углу опережения впрыска топлива и геометрической степени сжатия 68
3.3. Оценка качества организации рабочих процессов по распределению топлива в струе 77
3.4. Методика определения угла наклона топливных струй для улучшения экономических показателей 84
3.5. Методика прогнозирования срока службы дизельного двигателя 87
3.6. Выводы по главе 3 95
4. Моделирование и исследование рабочих процессов дизельного двигателя повышенной оборотности 97
4.1. Анализ показателей рабочих процессов базового двигателя 97
4.2. Результаты моделирования и исследования рабочих процессов по углу опережения впрыска топлива 101
4.3. Результаты моделирования и исследования рабочих процессов по углу наклона топливных струй 108
4.4. Прогнозирование срока службы дизельного двигателя с разработанными рабочими процессами 116
4.5. Результаты экспериментальных исследований рабочих процессов дизельного двигателя 119
4.6. Разработка инженерного решения по модернизации конструкции базового дизельного двигателя 128
4.7. Выводы по главе 4 131
Заключение 132
Список литературы 134
- Нормирование токсичности отработавших газов судовых дизельных двигателей и способы ее снижения
- Влияние угла опережения впрыска топлива на экологические и экономические показатели дизельного двигателя
- Оптимизация рабочих процессов по углу опережения впрыска топлива и геометрической степени сжатия
- Результаты моделирования и исследования рабочих процессов по углу опережения впрыска топлива
Введение к работе
Актуальность работы. При существующем уровне развития четырехтактных дизельных двигателей, характеризующимся удельным эффективным расходом топлива от 170 до 230 г/(кВтч) и средним эффективным давлением до 3 МПа при одноступенчатом газотурбинном наддуве, дизельные двигатели повышенной оборотности, как показывают теоретические и экспериментальные исследования, будут развиваться по пути дальнейшего улучшения энергетических, экономических и экологических показателей, а также повышения срока службы, снижение шума и вибрации.
В настоящее время вводятся более жесткие ограничения на выбросы оксидов азота (NOx) с отработавшими газами (ОГ), причем решение этой проблемы оказывается особенно трудным. На данный момент снижение выбросов NOx до соответствия требованиям международного стандарта для судовых дизельных двигателей IMO Tier II, удается достигнуть при увеличении удельного эффективного расхода топлива, но такой путь находится в противоречии с не менее актуальной проблемой борьбы за повышение топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания, острота которой постоянно возрастает в связи с приближающейся угрозой исчерпания жидких и газообразных топлив.
Сложность решения вопросов одновременного улучшения экологических показателей и повышения топливной экономичности заключается в многообразии факторов (конструктивных, регулировочных и эксплуатационных), которые влияют на процессы, происходящие внутри цилиндра двигателя, в частности, на процесс сгорания топлива, на динамические нагрузки и, как следствие, на срок службы дизельного двигателя, шум и вибрацию. Поэтому организация рабочих процессов заключает в себе существенные резервы улучшения экономических и экологических показателей дизельных двигателей.
Степень разработанности темы. На протяжении многих лет ведутся научные исследования, направленные на улучшение энергетических, экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания, повышение срока службы, снижение шума и вибрации. В научных трудах таких ученых, как Гриневецкий В.И., Мазинг Е.К. (основы расчета рабочих процессов), Галышев Ю.В., Горбунов Н.А., Грехов Л.В., Дьяченко Н.Х., Захаров Л.А., Звонов В.А., Иващенко Н.А., Кавтарадзе Р.З., Кулешов А.С., Луканин В.Л., Лы-шевский А.С., Марков В.А., Орлин А.С., Петриченко Р.М., Петриченко М.Р., Разлейцев Н.Ф., Фомин В.М., Шатров М.Г. и др., исследованы вопросы расчета и моделирования рабочих процессов, процессов газообмена, топливоподачи и смесеобразования, повышения топливной экономичности и снижения токсичности ОГ двигателей внутреннего сгорания.
Несмотря на большой объем выполненных теоретических и экспериментальных исследований, вопросы уменьшения выбросов NOx с ОГ серийными судовыми дизельными двигателями повышенной оборотности остаются весьма актуальными.
Целью работы является организация рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности для уменьшения выбросов оксидов азота с отработавшими газами в соответствии с требованиями IMO Tier II и увеличение срока службы.
Для достижения поставленной цели работы решались следующие задачи исследования:
-
Выполнить анализ существующих способов снижения выбросов NOx с ОГ и выбрать метод организации рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя для улучшения экологических показателей.
-
Провести аналитическое исследование рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности для уменьшения выбросов NOx с ОГ в соответствии с требованиями IMO Tier II при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.
-
Разработать методику определения угла наклона топливных струй при изменении угла опережения впрыска топлива.
-
Разработать методику прогнозирования срока службы серийного судового дизельного двигателя при изменении показателей рабочих процессов.
Объект исследований: серийный судовой дизельный двигатель повышенной оборотности 8ЧН 22/28 мощностью 1052 кВт при частоте вращения коленчатого вала 1000 мин-1 производства ОАО «РУМО».
Предметом исследования: процессы, протекающие в камере сгорания серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
-
Аналитически выбран метод организации рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности, обеспечивающий требуемые экологические показатели по выбросам NOx с ОГ при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.
-
Разработана методика и получена математическая зависимость для определения угла наклона топливных струй серийного судового дизельного двигателя при изменении угла опережения впрыска топлива.
-
Разработана методика и получена математическая зависимость для прогнозирования срока службы серийного судового дизельного двигателя при изменении показателей рабочих процессов.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Даны рекомендации по организации рабочих процессов серийного судо
вого дизельного двигателя 8ЧН 22/28 производства ОАО «РУМО» для умень
шения выбросов NOx при сохранении энергетических и экономических показа
телей на уровне базового двигателя.
-
Организация предложенных рабочих процессов не требует внесения значительных конструктивных изменений и осуществляется путем изменения параметров топливной аппаратуры: угла опережения впрыска топлива и угла наклона топливных струй в объеме камеры сгорания.
-
Результаты исследований могут быть использованы в проектных работах дизелестроительных предприятий и в работе эксплуатирующих организаций по улучшению показателей существующих дизельных двигателей.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
-
Рабочие процессы серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности, обеспечивающие требуемые экологические показатели по выбросам NOx с ОГ при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.
-
Методика определения угла наклона топливных струй при изменении угла опережения впрыска топлива.
-
Методика прогнозирования срока службы серийного судового дизельного двигателя при изменении показателей рабочих процессов.
Методы исследований:
-
Аналитический, основанный на известных математических зависимостях расчета и моделирования рабочих процессов.
-
Расчетно-теоретический, основанный на расчете методом конечных элементов (МКЭ) теплового состояния головки поршня.
-
Экспериментальный, основанный на разработанных методиках сравнительного исследования распространения факела по отпечатку в камере сгорания, следам отложения нагара и сажи на деталях цилиндропоршневой группы дизельного двигателя повышенной оборотности.
Достоверность полученных результатов подтверждена натурными исследованиями рабочих процессов, обеспечена применением апробированных методов исследования рабочих процессов, определения расхода топлива и выбросов NOx с ОГ. Результаты систематизированы с применением математических методов обработки результатов. Полученные результаты согласуются с ранее проведенными экспериментальными исследованиями на испытательном стенде ОАО «РУМО».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Энергетические установки и тепловые двигатели» НГТУ им. Р.Е. Алексеева; на международной научно-технической конференции «АВТО НН 08. Автомобильный транспорт в XXI веке» (НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2008 г.); на международной молодежной научно-технической конференции «БУДУЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ НАУКИ» (НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009-2013 гг.); на международной научно-технической конференции «Двигатель 2010» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010); на международной студенческой научно-технической конференции по технической термодинамике (ЗФ НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2010); на XVI Нижегородской сессии молодых ученых (Семенов, 2011).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, из которых 3 – в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы. Основное содержание работы изложено на 145 страницах машинописного текста и включает 47 рисунков и 14 таблиц. Список библиографических источников включает 125 наименований.
Нормирование токсичности отработавших газов судовых дизельных двигателей и способы ее снижения
Наличие сажи в ОГ приводит к появлению неприятного ощущения загрязненности воздуха и ухудшению видимости. При вдыхании сажи все частицы оказывают вредное воздействие на дыхательные органы человека. Они достигают альвеол легких или откладываются в носовых пазухах, трахеях или бронхах. Причем крупные частицы сажи (2-10 мкм и более) легко выводятся из организма, а мелкие (0,5-2 мкм) – задерживаются в легких, вызывая хронические заболевания. Но основные токсические свойства сажи обусловлены не углеродом, а присутствием на ней канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), в том числе наиболее токсичного среди них – бенз(а)пирена С20Н12, являющегося индикатором присутствия в ОГ других ПАУ [99].
Образование оксидов серы SOx в камере сгорания дизельного двигателя обусловлено содержанием в топливе серы и ее соединений (элементарной серы S, сероводорода H2S, меркаптанов RSH и др.). При высокой температуре и избытке кислорода они сгорают с образованием оксидов серы SO2 и SO3. Вначале образуется диоксид серы по реакции [61]: S+O2 «SO2 , который в условиях КС дизельного двигателя легко окисляется до триоксида SO3. Кроме оксидов при сгорании серы образуются сульфаты – серосодержащие соли, являющиеся одним из основных компонентов твердых частиц.
Диоксид серы SO2 – бесцветный газ с острым запахом, действует раздражающе на слизистые оболочки и кроветворные органы (костный мозг и селезенку), вызывает нарушения в обмене углеводов и отравления. Хроническое отравление малыми дозами SО2 проявляется в виде головных болей, бессонницы, раздражения слизистых оболочек, а в некоторых случаях – хронического бронхита и конъюнктивита. При малых концентрациях в воздухе (до 0,001%) диоксид серы является раздражителем дыхательных путей, а при содержании 0,01% и выше — приводит к смертельному отравлению за одну минуту [20, 67]. Смесь SO2 и CO при длительном воздействии вызывает нарушение генетической функции человека. Вредное влияние диоксида серы примерно в шесть раз сильнее, чем монооксида углерода.
Триоксид серы SO3 – в нормальных условиях представляет собой бесцветную жидкость, а в КС дизельного двигателя – присутствует в газообразной фазе. Оксиды серы, реагируя с парами воды воздуха, образуют кислоты – сернистую H2SO3 и серную H2SO4. Образование указанных кислот ускоряется оксидами азота и углеводородами, содержащимися в ОГ. Эти кислоты способствуют возникновению смога и кислотных дождей, разрушающе действующих на легочную ткань и вызывающих бронхиальные заболевания.
К сернистым газам относится и сероводород H2S – бесцветный газ с запахом тухлых яиц. При концентрациях выше 0,008 мг/м3 раздражает слизистые оболочки и оказывает токсическое действие на человека [20].
Наличие сернистых газов в атмосфере оказывает неблагоприятное воздействие и на сельскохозяйственные культуры, разрушая хлорофилл и препятствуя фотосинтезу растений. Растения (особенно хвойные) очень чувствительны к содержанию SО2 в воздухе: концентрации диоксида серы 0,08-1,0 мг/м3 в летнее время и 0,2 мг/м3 зимой приводят к постепенному усыха-нию большинства растений [67].
Большое содержание в малоподвижной и влажной атмосфере NО2, CHx и других веществ, выбрасываемых в окружающую среду, приводит к возникновению тумана коричневатого цвета, получившего название «смог» и являющегося смесью жидких и газообразных компонентов ОГ [20]. Смог содержит высокоактивные недоокисленные вещества (оксиданты), вызывающие раздражение глаз, слизистых оболочек носа и дыхательных путей, приводит к хроническим заболеваниям. Содержащиеся в атмосфере компоненты смога (NOx, SOx, Cl и др.) взаимодействуют с парами воды с образованием кислот, которые могут выпадать в виде кислотных осадков и попадают в почву, а оттуда – в сельхозпродукцию. Проведенный анализ показывает, что некоторые компоненты отработавших газов дизельных двигателей обладают сильными токсикологическими свойствами и могут вызывать тяжелые заболевания человека. Эти обстоятельства приводят к необходимости вводить ограничения на их выбросы с ОГ. При этом стоит отметить, что наиболее опасными из них являются выбросы оксидов азота и оксидов серы. Содержание оксидов серы в отработавших газах дизельного двигателя зависит только от содержания серы в топливе, поэтому для снижения выбросов SOx необходимо использовать малосернистое топливо.
Влияние угла опережения впрыска топлива на экологические и экономические показатели дизельного двигателя
При этом, некоторая доля теплоты, выделившаяся от сгорания сажи, отводится конвективным путем – переносом теплоты, обусловленным перемещением сгорающих материальных частиц сажи под влиянием изменения плотностей среды или газовых потоков внутри цилиндра.
Таким образом, участие сажи в рабочих процессах оказывает отрицательное влияние на индикаторный КПД, неполноту и несвоевременное сгорание топлива, радиационный (лучистый) и конвективный теплообмен.
Выгорание сажевых частиц, образующихся при горении топлива в камере сгорания дизельных двигателей, приводит к существенным потерям теплоты, поскольку сажа не участвует в увеличении теплосодержания рабочих газов, и теплота тратится в основном на нагрев поверхностей деталей камеры сгорания [90]. Кроме этого, продукты сгорания сажи (углекислый газ и оксид углерода) имеют температуру, значительно более высокую, чем средняя температура рабочих газов, вследствие чего может возрасти и температура выпускных газов.
Образование сажи способствует повышению дымности отработавших газов дизельных двигателей, что также относится к нежелательным экологическим последствиям работы двигателя [102]. В результате исследований [2, 89] были получены данные, позволившие выявить основные факторы, определяющие содержание NOx в продуктах сгорания предварительно неперемешанных топлива и воздуха: увеличение доли топлива, сгорающего в диффузионном режиме, при постоянстве общего количества периодически подаваемого топлива, обуславливает увеличение поверхности фронта диффузионного горе ния, а также концентрации сажи и, до определенного момента, NOx; увеличение количества сгорающего топлива при его непрерывной по даче приводит к увеличению поверхности фронта диффузионного го рения, а также концентрации сажи и, до определенного момента, NOx в продуктах сгорания; с момента резкого роста содержания сажи в продуктах сгорания начи нается процесс уменьшения концентрации NOx в продуктах сгорания независимо от способа подачи топлива; выход NOx пропорционален величине поверхности фронта диффузион ного горения до момента интенсификации процесса сажеобразования, при котором влияние поверхности компенсируется снижением темпе ратуры горения; подвижность реакции образования NOx при диффузионном горении высокая, что позволяет в расчетах учитывать только реакцию разложе ния, считая скорость реакции образования NOx бесконечно большой.
Таким образом, увеличение в отработавших газах дизельного двигателя концентрации как NOx, так и сажи связано с увеличением площади поверхности диффузионного горения, определяемой увеличением цикловой подачи топлива (что можно косвенно оценить по коэффициенту избытка воздуха), а также сокращением периода задержки воспламенения. Период задержки воспламенения представляет собой подготовительную фазу к процессу сгорания в цилиндре двигателя с воспламенением от сжатия и зависит от функции впрыска топлива, температуры начала впрыска, условий смешивания паров топлива с воздухом и качества топлива. Параметры впрыска, в свою очередь, определяются давлением впрыска топлива, степенью дробления топлива, длиной струи и скоростью полета топливной струи. В общей длительности периода задержки воспламенения могут быть выделены две составляющие: 1) физическая составляющая, зависящая в основном от параметров впрыска и условий смешивания топлива с воздухом; 2) химическая составляющая, определяемая свойствами топлива.
Угол опережения впрыска топлива оказывает большое влияние на продолжительность задержки воспламенения топлива в камере сгорания и на все показатели рабочих процессов дизельного двигателя. При больших углах опережения впрыска, топливо начинает поступать в камеру, когда давление и температура заряда в ней относительно невелики, поэтому период задержки воспламенения увеличивается, и большая порция топлива подается в камеру сгорания до прихода поршня в ВМТ [25, 32].
После точки 1 (рис. 2.3), в которой начинается впрыск топлива, линия давлений сначала пойдет ниже линии сжатия без впрыска топлива, а затем в точке 2 пересечет линию сжатия и быстро начнет подниматься. Отставание линии давления вначале впрыска объясняется затратой теплоты на прогрев и испарение капель впрыснутого топлива. Следовательно, можно отметить существование скрытого периода окислительных процессов между точками 1 и 2, когда сгорание как бы отсутствует или запаздывает по сравнению с подачей топлива. Этот период называют период задержки воспламенения i, ПКВ [25]. ф п.к.в
Угол опережения впрыска топлива оказывает огромное влияние на процесс сгорания. При слишком большом значении j3 (рис. 2.4) процесс сгорание начинается слишком рано, создается большое противодавление ходу поршня к ВМТ (линия 3), скорость нарастания и максимальное давление оказываются чрезмерно большими, двигатель перегружается силами давления газа и перегревается, а его энергетические и экономические показатели не достигают оптимальных значений. Слишком малый угол j1 приводит к запаздыванию развития процесса сгорания, энергетические и экономические показатели дизельного двигателя также не достигают оптимальных значений. При значении j2 получается приемлемая скорость нарастания давления и максимальное давление сгорания, наилучшие энергетические и экономические показатели рабочих процессов [3, 25].
Оптимизация рабочих процессов по углу опережения впрыска топлива и геометрической степени сжатия
В качестве объекта исследования выбран серийный судовой дизельный двигатель 8ЧН 22/28: рядный восьмицилиндровый, четырехтактный простого действия, вертикальный, тронковый, повышенной оборотности, с газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха. Данный двигатель может применяться для работы как в качестве главного судового двигателя в составе пропульсивной установки судов смешанного плавания, так и привода генератора переменного тока на объектах стационарной энергетики [109].
Для базового двигателя выполнено моделирование рабочих процессов в программном комплексе Дизель-РК [57] для определения и оценки его расчетных показателей, определения возможности их улучшения и дальнейшего сравнения с показателями разрабатываемых рабочих процессов. Результаты моделирования рабочих процессов базового дизельного двигателя 8ЧН 22/28 на режиме номинальной мощности представлены в таблице 4.1.
Анализ результатов исследования (таблица 4.1 и рис. 4.1) показывает,
растянутый по времени впрыск и низкая температура газов в конце процесса сжатия, связанные с ранним моментом начала впрыска топлива, создают значительную задержку воспламенения топливовоздуш-ной смеси, и вместе с большим количеством топлива, испарившегося за период задержки воспламенения, обуславливают наличие выраженного первого пика скорости тепловыделения (кривая dx/dFi на рис. 4.1, в) и, следовательно, скачка локальной температуры в объеме взрывного горения, что обуславливает увеличение выбросов NOx с отработавшими газами (ОГ); процесс сгорания при высокой температуре создает благоприятные ус ловия для быстрого и полного сгорания топлива, что ведет к уменьше нию удельного эффективного расхода топлива при удовлетворитель ном значении эмиссии дыма в отработавших газах; топливо в камере сгорания попадает в зоны с плохими условиями ис парения (на верхнюю часть поршня 15% с относительной константой испарения 169; зеркало цилиндра 1,59% с относительной константой испарения 3; крышку цилиндра 0,41% с относительной константой ис парения 85), что приводит к образованию твердых частиц и сажи на ра бочих поверхностях пространства камеры сгорания; перекрытия топливных струй не происходит, соседние струи не меша ют друг другу, что позволяет увеличить количество сопловых отвер стий распылителя форсунки и сократить продолжительность топливо подачи, что вместе с уменьшением поверхности теплоотдачи обеспе чивает рост эффективного КПД и снижение удельного эффективного расхода топлива [58].
Таким образом, существующие рабочие процессы базового двигателя требует оптимизации в отношении выбросов оксидов азота с отработавшими газами и уменьшения «жесткости» работы двигателя при сохранении удельного эффективного расхода топлива.
Следовательно, необходимо организовать рабочие процессы дизельного двигателя 8ЧН 22/28 таким образом, чтобы уменьшить выбросы NOx до требований IMO Tier II и снизить их «жесткость» при сохранении эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива (в пределах интервала допустимых значений по техническим условиям на поставку двигателя [30]) с минимальными изменениями конструкции базового двигателя.
На основании результатов проведенных теоретических исследований по моделированию рабочих процессов базового дизельного двигателя 8ЧН 22/28 можно сделать выводы, что требование своевременного воспламенения и сгорания топлива может быть удовлетворено при соблюдении следующих условий:
1. Заданный закон подачи топлива и длительность периода задержки воспламенения должны обеспечивать впрыск топлива в цилиндр двигателя к моменту воспламенения такого количества топлива, которое будет сгорать с предельно допустимой скоростью нарастания давления.
2. Воспламенение топлива в камере сгорания двигателя должно происходить вблизи ВМТ, что может быть достигнуто соответствующей установкой угла опережения впрыска топлива (УОВТ), т.е. приближением УОВТ к ВМТ.
При заданных условиях дизельный двигатель будет удовлетворять не только всем современным требованиям по экологическим показателям, но и путем снижения «жесткости» рабочих процессов сможет увеличить срок службы.
На рис. 4.2 представлены результаты моделирования и исследования рабочих процессов дизельного двигателя 8ЧН 22/28 для различных углов опережения впрыска топлива: 16, 14, 12 и 10 до ВМТ, выполненного с помощью разработанного д.т.н., проф. А.С. Кулешовым в МГТУ им. Н.Э. Баумана программного комплекса ДИЗЕЛЬ-РК [57].
Целью этого моделирования является исследование влияния УОВТ на выбросы оксидов азота с ОГ, экономичность и «жесткость» протекания процесса сгорания дизельного двигателя 8ЧН 22/28 при условии сохранения среднего индикаторного давления, т.е. работы базового и нового рабочих процессов.
Результаты моделирования и исследования рабочих процессов по углу опережения впрыска топлива
В соответствии с данными, приведенными в таблице 4.7, максимальное давление сгорания уменьшилось на 12,9%, удельный эффективный расход топлива увеличился на 3 г/кВтч, выбросы оксидов азота с ОГ уменьшились на 3,5 г/кВтч, и максимальная скорость нарастания давления снизилась на 24%.
Экспериментальные исследования проводились на испытательном стенде ОАО «РУМО» в течение 150 часов. Испытательный стенд оборудован: системами впуска и выпуска, топливной, смазки и охлаждения, обеспечивающие работу двигателя; устройством для нагружения двигателя; приборами для замера расходов топлива и воздуха; прибором для замера максимального давления в цилиндре двигателя и газоаналитической системой ГАСЕТ-ЕТ-01 [17] для замера выбросов оксидов азота с ОГ.
На рис. 4.14-4.16 представлены фотографии поршня и крышки цилиндра двигателя с разработанными рабочими процессами по УОВТ и углу наклона топливных струй. Детали камеры сгорания чистке не подвергались и поэтому сохранена полная картина полноты сгорания топлива и расположения топливных струй. Визуальный осмотр показал, что приведенные детали камеры сгорания имеют чистые поверхности с лаковым отложением продуктов сгорания топлива. Следы обильного нагара, больших отложений сажи не обнаружено. Это может быть показателем качественного протекания рабочих процессов.
Снижение «жесткости» разработанных рабочих процессов определялось косвенным путем по замерам уровня звукового давления и виброскорости, свидетельствующих об уменьшении ударов в цилиндре дизельного двигателя 8ЧН 22/28 путем снижения скорости нарастания давления и максимального давления сгорания. Точки измерений шума и вибрации показаны на рис. 4.17.
Графики, приведенные на рис. 4.18 и рис. 4.19 показывают снижение уровня максимального звукового давления на 7 дБА и снижение уровня виброскорости на 2 дБА.
Таким образом, реализация мероприятий по изменению УОВТ и угла наклона топливных струй с целью уменьшения выбросов оксидов азота с ОГ дизельного двигателя 8ЧН 22/28 при сохранении энергетических и экономических показателей подтвердила правильность выбранных решений при экспериментальных исследованиях на испытательном стенде ОАО «РУМО».
Для организации предложенных рабочих процессов рассмотрим узлы дизельного двигателя ЧН 22/28, которые должны претерпеть некоторые изменения. Перечисленные мероприятия касаются только топливной аппаратуры двигателя.
Изменение параметров рабочих процессов, связанных с изменением угла опережения впрыска топлива, можно реализовать изменением профиля топливного кулачка распределительного вала, или уменьшением толщины регулировочной шайбы (рис. 4.20) в блочном толкателе привода топливного насоса высокого давления (ТНВД). Это наиболее простой и доступный способ, особенно для двигателей, находящихся в эксплуатации.
Регулировочная шайба предназначена для выставления топливных насосов по углу опережения впрыска топлива по мениску. Шлифовка регулировочной шайбы осуществляется, в основном, на заводе-изготовителе во время приемочных испытаний двигателя. В эксплуатации доработка регулировочных шайб производится при замене топливного насоса.
Изменение угла наклона топливных струй возможно только при изменении конструкции распылителя форсунки. При этом для двигателей находящихся в эксплуатации имеется возможность замены штатных распылителей форсунки на новые. Форсунка и откорректированный корпус распылителя двигателя ЧН 22/28 представлен на рис. 4.21.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований дизельного двигателя 8ЧН 22/28 можно сделать следующие выводы:
1. Рабочие процессы дизельных двигателей 8ЧН 22/28 требует совершенствования в отношении выбросов оксидов азота с ОГ и уменьшения «жесткости» работы. Высокая скорость нарастания давления и малый угол действия максимального давления создают большие динамические нагрузки в деталях ЦПГ, высокий уровень шума и вибрации, что отрицательно сказывается на экологических показателях двигателя.
2. Уменьшение угла опережения впрыска топлива с 18 до 12ПКВ до ВМТ позволяет перенести процесс сгорания на линию расширения и снизить выбросы оксидов азота с ОГ до требований IMO Tier II, уменьшить «жесткость» рабочих процессов, в результате чего снижаются динамические нагрузки в деталях ЦПГ и увеличивается срок службы двигателя. Такие изменения приводят к попаданию топлива в зоны с наихудшими условиями испарения (зеркало и крышка цилиндра), что приводит к увеличению удельного эффективного расхода топлива на 5 г/(кВтч).
3. Изменение угла наклона топливных струй с 75 до 72,5 позволяет снизить концентрацию топлива в зонах с наихудшими условиями испарения, в результате чего улучшаются экономические показатели рабочих процессов.
4. Разработанные рабочие процессы позволяют увеличить срок службы дизельного двигателя до капитального ремонта с 50 тыс. часов до 62,5 тыс. часов, т.е. на 25%.
5. Уменьшение максимального давления сгорания позволяет форсировать двигатель по среднему эффективному давлению или повысить геометрическую степень сжатия для улучшения энергетических, экономических и экологических показателей рабочих процессов.
