CC BY-NC
8
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1-S-I-152-154 УДК 621.436-64
А.Ю. Чистяков1, Г.Б. Горелик2, О.Н. Мозолев2
1 СПбГМТУ, Санкт-Петербург
2 ТОГУ, Хабаровск
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТОПЛИВОПОДАЧИ ДЛЯ РАБОТЫ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ НА ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ
В статье представлены результаты математического моделирования процессов топливоподачи судового дизеля при работе по винтовой характеристике при использовании дизельного топлива и водотопливной эмульсии с водосодержа-нием 30% в качестве альтернативного топлива. В результате исследования выявлены особенности процессов топливо-подачи и влияние альтернативного топлива на рабочие характеристики впрыскивания серийной топливной аппаратуры при работе на номинальном и частичных режимах. При оценке качества работы топливной аппаратуры учитывались: изменение характеристики подачи топлива; особенности распыливания топлива в начальной и конечной фазах впрыскивания; повышение стабильности последовательных циклов впрыскивания за счет увеличения активного хода плунжера; колебания остаточного давления в трубопроводе высокого давления при последовательных циклах впрыскивания. При применении водотопливной эмульсии возможно существенное повышение качества работы судового дизеля, расширение диапазона стабильных подач серийной топливной аппаратуры как за счет возможности снижения скоростных режимов при малых подачах топлива, так и обеспечения форсированных подач топлива вследствие отсутствия повторных впрыскиваний.
Ключевые слова: водотопливная эмульсия; критерий стабильности; математическое моделирование процессов топливоподачи судового дизеля; распыливание топлива; характеристика подачи топлива, остаточное давление; межцикловая нестабильность.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-S-I-152-154 UDC 621.436-64
A.Yu. Chistyakov1, G.B. Gorelik2, O.N. Mozolev2
1 St. Petersburg State Marine Technical University, St. Petersburg
2 Pacific State University, Khabarovsk
MODELING THE PROCESSES OF FUEL SUPPLY DURING THE OPERATION OF MARINE DIESEL ENGINE USING WATER-FUEL EMULSION
The article presents the results of the mathematical modeling of marine diesel's fuel supply processes during the screw characteristic while using diesel fuel and water-fuel emulsion with 30% water content as alternative fuel. As a result of the research, the features of the fuel supply processes and the effect of alternative fuel on the serial fuel equipment injection characteristics during operation in nominal and partial modes were identified. Considering the quality of fuel equipment operation the following features were taken into account, they are: changing fuel supply characteristics; features of fuel atomization in the initial and final phases of injection; increasing stability of the injection in sequential cycles by increasing plunger active stroke; residual pressure oscillations in the high pressure line during injection consecutive cycles. Using the water-fuel emulsion it is possible to significantly increase a quality of marine diesel engine operation, to extend the stable fuel supply range of the serial fuel
Для цитирования: Чистяков А.Ю., Горелик Г.Б., Мозолев О.Н. Моделирование процессов топливоподачи для работы судового дизеля на водотопливной эмульсии. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; Специальный выпуск 1: 152-154.
For citations: Chistyakov A.Yu., Gorelik G.B., Mozolev O.N. Modeling the processes of fuel supply during the operation of marine diesel engine using water-fuel emulsion. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; Special Edition 1: 152-154 (in Russian).
A.Yu. Chistyakov, G.B. Gorelik, O.N. Mozolev Modeling the processes of fuel supply during the operation of marine diesel engine using water-fuel emulsion
equipment both from the possibility of speed modes reducing during fine fuel feed and providing forced fuel feed due to absence of repeating injections.
Key words: water-fuel emulsion; stability criterion; mathematical modeling of marine diesel's fuel supply processes; characteristics of fuel supply processes, residual pressure; intercycle instability.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Научно-исследовательские работы показывают, что для предотвращения образования вредных веществ в дизелях наиболее универсальным способом является сжигание топлива в виде водотопливной эмульсии (ВТЭ), причем способ хорошо подходит для судовых условий. При работе двигателя на ВТЭ с содержанием воды в топливе 15-40% в результате улучшения полноты сгорания дымность отработавших газов снижается в 2-3 раза и на 20-30% сокращаются выбросы оксидов азота.
При работе на ВТЭ следует учитывать ряд специфических особенностей топливоподачи. Так, основываясь на фундаментальных работах А. Д. Альт-шуля для затопленных струй при турбулентном характере потока в каналах дизельной топливной аппаратуры (ТА), можно гипотетически предположить, что элементарные струйки эмульгированного топлива отделяются друг от друга за счет действия электростатических сил отталкивания одноименных зарядов, а между ними имеет место движение элементарных струек чистого топлива. Физическим аналогом этого явления можно считать идеальный подшипник скольжения, в котором силы трения существенно снижены за счет разделяющего слоя, а эпюра скорости потока имеет более полную форму, чем в случае потока чистого топлива. Следовательно, коэффициенты истечения через щели, наполнительные и отсечные окна и отверстия согласно данным представлениям и результатов опытов будут иметь величины на 5-8% больше, чем при работе на чистом топливе. При этом с учетом качества эмульсии, а оно повышается по мере перемещения топлива к распылителю, коэффициенты расхода будут возрастать. Следует иметь в виду что дробление капель усилится по мере прохождения ВТЭ через щели в нагнетательном клапане и форсунке. Сопротивление в нагнетательном трубопроводе высокого давления (ТВД) будут снижаться на величину порядка 10-15%, поэтому, следует принимать коэффициенты расхода со стороны топливного насоса высокого давления на 4-5% больше опытных значений, а для форсунки - на 7-8%. При движении ВТЭ в ТВД снижаются потери на трение, что следует учитывать при моделировании ТА при оценке коэффициента трения потока о стенки трубопровода. При постоянстве скорости распространения волны давления в течение процесса впрыски-
вания (это является вполне допустимым упрощением математической модели (ММ) процессов топли-воподачи), получим уравнение нестационарного движения топлива в ТВД в конечно-разностном виде в виде телеграфного уравнения.
Параметры ВТЭ необходимо определять в зависимости от водосодержания ВТЭ с учетом температурных условий работы ТА. Также следует учитывать свойства ВТЭ (плотность, сжимаемость и скорость распространения волны давления в ТВД). При движении элементарных струек тока в каналах скажется эффект влияния микрокапель воды на эпюру скорости. Она станет более полной при некотором увеличении скорости по оси, что уменьшит потери при движении волны скорости на 10-15%. Имеется двойное подвпрыскивание суммарной величиной 2,55% при угле поворота кулачкового вала 40,8-42,1 и совсем незначительное при 48,4-49,0 град.п.кул.в. Отмечается некоторое увеличение максимальных давлений впрыскивания, рост среднего интегрального давления у форсунки, что свидетельствует о повышении эффективности процессов топливоподачи при работе на ВТЭ, усиливается жесткость завершения подачи, так как скорость посадки иглы увеличивается с 83,4 до 112 см/с. Стабильность последовательных впрысков остается высокой, что характерно для близно-минальных режимов.
Из-за необходимого увеличения активного хода плунжера примерно пропорционального водосодер-жанию эмульсии процессы топливоподачи смещаются в сторону увеличенной скорости плунжера, а завершаются при его меньшей скорости. При этом количество топлива, поданного за период посадки иглы, такое же, как и для работы на дизельном топливе. Это свидетельствует о сохранении качества настройки процессов топливоподачи и при этом повторные впрыскивания отсутствуют. Анализ показывает, что повышение вязкости ВТЭ с 10 сСт до 15 сСт практически не «деформирует» процессы впрыскивания. Для 30% ВТЭ вязкость находится в расчетных пределах. Рабочий процесс дизеля при этом определяется совокупностью взаимосвязанных процессов впрыскивания и распыливания топлив. Что касается работы ТА дизелей на дизельном или тяжелом топливе и последующих процессах смесеобразования в цилиндре двигателя, то эти вопросы
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
153
достаточно исследованы. А вот изучением свойств и применением ВТЭ в эксплуатации занимался сравнительно небольшой круг специалистов.
При использовании ВТЭ, имеющих иные физико-механические свойства, возникает целый круг частных вопросов и задач, решение которых должно предшествовать практической реализации ВТЭ в рядовой эксплуатации. Отличия в протекании рабочих процессов топливоподачи, факелообразо-вания и последующего смесеобразования при работе на ВТЭ связаны в первую очередь с параметрами эмульсии. Следует также заниматься особенностями распада струи в канале распылителя и при выходе ее в полость камеры сгорания и процессами сгорания топливовоздушной смеси в основных фазах горения. Исполнение конструктивных элементов, геометрические размеры ТА, свойства топлива определяют качество рабочего процесса топливной аппаратуры, (точное дозирование, своевременное впрыскивание топлива в камеру сгорания двигателя, обеспечение стабильной от цикла к циклу подачи и равномерное распределение топлива по секциям во всем рабочем диапазоне).
ВТЭ могут занять отдельное место в списке альтернативных топлив как путь улучшения глубины использования топлив. Более того, ВТЭ позволяют вводить рациональным путем присадки в топливо, обеспечивать качественное выгорание углеводородных, азотоводородных, спиртовых и бензометанольных смесей. ВТЭ обеспечивают «моточистку» двигателя, снижение выбросов оксидов азота МОх в ОГ до 2-2,5 раз. Появляется новое свойство эмульсии - накопление подводимой энергии при приготовлении независимо от способа. При вводе ВТЭ в камеру сгорания дизеля эта энергия полностью идет на совершение эффективной работы. Процессы топливоподачи на ВТЭ протекают при повышенных значениях активного хода плунжера пропорционально водосодержанию эмульсии, что способствует улучшению работы ТА (повышение давления и стабилизация последовательных
циклов впрыскивания) и самого рабочего процесса дизеля, все это ведет к повышению эффективности использования топлива.
Одно из главных положительных воздействий при применении ВТЭ - это существенное снижение оксидов азота в отработавших газах и нагарообра-зования в камере сгорания и в выпускном тракте. Последнее позволяет значительно уменьшить изно-сы цилиндропоршневой группы и обеспечить повышение количественных показателей надежности. Работа дизеля на ВТЭ позволяет отказаться от сложных и дорогостоящих установок для снижения эмиссии оксидов азота. Применение ВТЭ обеспечивает возможность снижения минимально-устойчивых оборотов под нагрузкой и на режиме холостого хода и выполнение требований ГОСТ 10150-88, существенно повышая эффективность работы судового дизеля. Из всех известных способов решения задачи снижения выбросов оксидов азота наиболее приемлемым остается применение ВТЭ. Предложенные гипотезы «деформации» процесса впрыскивания при использовании ВТЭ с оценкой степени влияния их на протекание параметров топливоподачи позволяют более качественно и надежно использовать математическое моделирование при проектировании ТА и проведении опытно-конструкторских исследований в этой области.
Список использованной литературы
1. Горелик Г.Б. «Перетекание» электрической мощности при параллельной работе дизель-генераторов и обеспечение качества режимов малых нагрузок. Хабаровск: Тихоокеан. гос. ун-т, 2016. 250 с.
2. Горелик Г.Б., КоньковА.Ю. Оценка качества водотопливной эмульсии // Морские интеллектуальные технологии. 2018. № 4(42). Т. 5. С. 105-110.
3. Горелик Г.Б., Коньков А.Ю., Кончаков Е.И. Возможности и перспективы применения водотопливных эмульсий в судовых дизелях в качестве альтернативного топлива // Морские интеллектуальные технологии. 2017. № 3(37). Т. 2. С. 97-102.
Поступила / Received: 15.11.21 Принята в печать / Accepted: 08.12.21 © Чистяков А.Ю., Горелик Г.Б., Мозолев О.Н., 2021
