CC BY
38
УДК 621.436
В. И. Одинцов, Д. Ю. Глазков
ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСЛОВИЙ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ ДВС ПУТЕМ ОГРАНИЧЕНИЯ ВЫБРОСОВ ПРОДУКТОВ НЕПОЛНОГО СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
С целью установления закономерностей изменения удельного выброса углерода с отработавшими газами проведены эксперименты на двигателях типа 1 Ч 17,5/24 (1 NVD-24) и 6 ЧН 12,8/15,5 (MAN D 2866), а также выполнен анализ экспериментальных данных двигателя 8 Ч 12/12 (КамАЗ 740.10). Результаты экспериментов обработаны относительно индикаторной мощности и комплекса показателей процесса сгорания BCD, учитывающих влияние диаметра и количества сопловых отверстий, давления топливоподачи, свойств топлива, коэффициента избытка воздуха, параметров состояния рабочего тела в цилиндре дизеля. Установлено, что выбросы углерода с отработавшими газами в функции от индикаторной мощности линейно снижаются с ростом нагрузки во всем диапазоне, если струи топлива не попадают на холодные стенки камеры сгорания. При попадании топлива на стенки камеры сгорания удельные выбросы углерода растут также по закону, близкому к линейному. На основе результатов исследования внесено предложение при разработке новых двигателей и модернизации существующих давление впрыска и параметры распылителей подбирать таким образом, чтобы на режимах наибольшей топливоподачи исключить попадание топливных струй на холодные стенки камеры сгорания.
Ключевые слова: процессы смесеобразования и сгорания, топливные струи, содержание углерода в отработавших газах, характеристики смесеобразования и сгорания, удельный выброс углерода.
Введение
Известно, что основными категориями опасностей при эксплуатации судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) рыбопромыслового флота являются перегрузка цилиндров по среднему индикаторному давлению, превышение тепловых нагрузок деталей цилиндропоршне-вой группы (ЦПГ) из-за снижения коэффициента избытка воздуха при сгорании, обусловленного износом деталей ЦПГ, ухудшением технического состояния элементов систем наддува и газообмена, топливной аппаратуры, увеличением сопротивления движению судна. Рост сопротивления происходит в результате изменения осадки судна, обрастания подводной части корпуса и нарушения его геометрии, при встречном ветре и волнении. В результате дейтвия вышеперечисленных факторов нарушается протекание рабочего процесса относительно запроектированного заводом-строителем, что приводит к снижению надежности, перерасходу топлива и увеличению содержания вредных веществ в отработавших газах. Отложения сажи в газовыпускной системе вызывают увеличение ее аэродинамического сопротивления, снижают качество продувки цилиндров, а при налипании сажи на ротор турбонагнетателя нарушается его балансировка с быстрым выходом из строя подшипников [1]. При увеличении нагрузки на двигатель сажа, скопившаяся в газовыпускной системе, может воспламениться. Воспламенение отложений вызывает прогар коллекторов, повреждения утилизационных котлов вплоть до полного их выхода из строя [2].
Теоретическое исследование
Как известно, наибольшее распространение в судовых ДВС получил струйный (объемный) способ смесеобразования, при котором объём заряда воздуха при положении поршня в районе верхней мертвой точки (ВМТ) распределен между отдельными топливными струями. В общем случае диаметры сопловых отверстий выполняются с некоторой погрешностью, которая увеличивается за счет их неравномерного износа при эксплуатации. Таким образом, из каждого соплового отверстия выходят топливные струи, отличающиеся геометрическими параметрами: длиной, углом конуса и шириной фронта. Каждая струя - это совокупность капель различного диаметра. Наиболее крупные капли, как было установлено в ходе исследований, проводившихся в Центральном научно-исследовательском дизельном институте (ЦНИДИ) еще в 70-е гг. [3], в лаборатории двигателей АН СССР и других организациях, располагаются на оси струи и в ее фронтальной части, причем их диаметр соответствует диаметру сопловых отверстий [4, 5].
Наиболее мелкие капли, расположенные в поверхностных слоях топливных струй, первыми затормаживаются, испаряются и воспламеняются. От первичных очагов пламя распространяется по всей поверхности топливных струй. В результате этого наблюдается продвижение горящего топливного факела из каждого соплового отверстия [4]. В очагах воспламенения и сгорания мгновенные температуры рабочего тела достигают примерно 3000 К (рис. 1) [6].
Т, К
то 2т 2600
2200 2ОС0
то то
¡100 то №
Рис. 1. Изменение температуры пламени (а) и температуры газов (б) по углу поворота коленчатого вала
для двигателя ЧН24/36: 1 - при нагрузке 100 %; 2 - при нагрузке 80 %; 3 - при нагрузке 60 %;
4 - при нагрузке 40 % [6]
От высокотемпературных зон пламя распространяется по всем направлениям и нагревает топливо, находящееся во внутренних слоях струй.
В работах [7-9] установлено, что в качестве показателя, характеризующего качество рас-пыливания топлива, можно применить отношение суммарной площади поверхности топливных струй к количеству содержащегося в них топлива:
Кр^ = FфE /g ц, (1)
т^ 2
где F - площадь поверхности струй топлива в конце процесса впрыскивания, м ; gц - цикловая подача топлива, кг.
Так как расходы топлива через отдельные сопловые отверстия одного и того же распылителя существенно отличаются, как вследствие влияния конструктивных и технологических факторов, так и в результате их неравномерного изнашивания и закоксовывания, то показатель качества распыливания в двигателях с объемным способом смесеобразования можно представить в виде [7-9]
п / п
Кр,=£ FJ £ g ц. (2)
I=1 / I=1
Показатель может применяться как для конца процесса топливоподачи, так и для отдельных его участков с учетом переменных значений числителя и знаменателя. При этом, чем больше отношение (2), тем быстрее происходит сгорание и прогрев несгоревшего топлива.
Как показывают исследования, проведенные профессором Р. З. Кавтарадзе [10], скорость образования углерода для конкретного вида топлива зависит от коэффициента избытка воздуха при сгорании и температуры рабочего тела, что представлено на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость концентрации сажи Сс от коэффициента избытка воздуха ав и температуры в цилиндре Т [10]
Характеристика изменения концентрации сажи в цилиндре по углу поворота коленчатого вала представлена на рис. 3.
Сс, %
/К
вмт
фп
град
Рис. 3. Изменение концентрации сажи в цилиндре по углу поворота коленчатого вала [10]
С увеличением давления топливоподачи растет отношение площади поверхности топливных струй к количеству содержащегося в них топлива и, следовательно (как это показано в работах [7-9]), приводит к сокращению продолжительности процесса сгорания и повышению в результате этого относительного действительного КПД (в соответствии с терминологией, предложенной академиком Б. С. Стечкиным [11]). Чем выше относительный действительный КПД, тем больше индикаторный КПД и, следовательно, меньше удельный расход топлива и эмиссия продуктов неполного сгорания. Это подтверждается в ряде работ [5, 12, 13], где установлено, что при давлении топливоподачи свыше 100-120 МПа средний диаметр капель слабо зависит от давления в форсунке. При этом дальнобойность топливных струй увеличивается до значения давления топливоподачи примерно в 80 МПа, после чего остается постоянной.
Из вышеприведенного очевидно, что содержание углерода в отработавших газах зависит от качества процессов распыливания и смесеобразования, воздушно-топливного отношения в цилиндре, продолжительности процессов сгорания и расширения по времени.
Главные двигатели судов рыбопромыслового флота работают в основном на винты регулируемого шага. При этом изменение мощности, как во время траловых операций, так и на свободном ходу, осуществляется преимущественно разворотом лопастей при постоянной частоте вращения коленчатого вала, т. е. по регуляторной характеристике. Следует заметить, что ряд фирм-изготовителей ДВС также проводят испытания при постоянной частоте вращения коленчатого вала. По регуляторной характеристике работают также судовые дизель-генераторы.
Экспериментальное исследование
С целью определения закономерностей, отражающих влияние ряда конструктивных и эксплуатационных факторов на содержание углерода в отработавших газах, в Балтийской
государственной академии рыбопромыслового флота были проведены эксперименты на двигателях 1Ч 17,5/24 (1NVD-24) и 6 ЧН 12,8/15,5 (MAN D 2866). Обработаны также материалы исследований двигателя 8 Ч 12/12 (КамАЗ 740.10), выполненные в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете [14]. Анализ полученных результатов проводился с учетом закономерностей процесса сгорания [7-9, 15], учитывающих влияние в явном виде следующих факторов: диаметра и количества сопловых отверстий, давления топливопо-дачи, коэффициента избытка воздуха при сгорании, параметров рабочего тела в цилиндре в период топливоподачи, частоты вращения коленчатого вала, физико-химических свойств применяемого топлива.
На рис. 4-6 представлены экспериментальные данные по изменению выбросов углерода при работе двигателей по регуляторной характеристике в зависимости от развиваемой индикаторной мощности. На каждом рисунке по оси абсцисс отложена развиваемая индикаторная мощность в кВт, т. к. она характеризует процесс преобразования химической энергии топлива в механическую работу внутри цилиндра, поскольку учет механических потерь через эффективную мощность усложняет анализ в связи с различием характеристик изменения механического КПД в разных ДВС. По осям ординат отложены характеристики изменения коэффициента избытка воздуха при сгорании а, произведения показателей, характеризующих протекание процесса смесеобразования BCD и выбросы углерода с отработавшими газами в г/нм3 и в г/(кВт • ч).
Как видно из представленных данных [14], для двигателя 1 Ч 17,5/24 (1 NVD-24) с уменьшением индикаторной мощности коэффициент избытка воздуха при сгорании а увеличивается, а комплекс характеристик процесса сгорания (BCD) уменьшается. Вследствие этого увеличиваются удельные выбросы углерода с отработавшими газами в г/(кВт • ч). Однако в связи с ростом коэффициента избытка воздуха при сгорании концентрация углерода, м3, приведенная к нормальному, уменьшается.
Рис. 4. Экспериментальные данные по двигателю 1 Ч 17,5/24 (1 NVD-24) при частоте вращения коленчатого вала 630 об/мин (регуляторная характеристика)
В двигателе 8 Ч12/12 (КамАЗ 740.10) наблюдается аналогичное изменение коэффициента избытка воздуха при сгорании [14], комплекса характеристик процесса сгорания (BCD), концентрации углерода в отработавших газах и его удельного выброса в г/(кВт • ч).
Q :
О
cq
Рис. 5. Экспериментальные данные по двигателю 8 Ч12/12 (КамАЗ 740.10) при частоте вращения коленчатого вала 2200 об/мин (регуляторная характеристика) [14]
Однако если в двигателе 1 Ч 17,5/24 (1 NVD-24) закономерности изменения комплекса характеристик ВСD, удельного выброса и концентрации углерода близки к линейным, то в двигателе 8 Ч 12/12 (КамАЗ 740.10) наблюдается рост удельного выброса в диапазоне индикаторных мощностей 115-135 кВт, что объясняется, как показали расчеты, попаданием струй топлива на стенки камеры сгорания.
В двигателе 6 ЧН 12,8/15,5 (MAN D 2866) комплекс характеристик процесса сгорания ВСD, коэффициента избытка воздуха а, концентрации углерода в отработавших газах и удельного выброса сажи изменяются более круто, начиная с индикаторной мощности в 100 кВт.
20= Ж КВТ
гоо Ж кВт
Ni, кВт
2оэ Ni\ кВт
a
Рис. 6. Экспериментальные данные по двигателю 6 ЧН 12,8/15,5 (MAN D 2866)
В ходе расчетов было установлено, что, начиная с указанной мощности (100 кВт), струи топлива достигают стенок камеры сгорания, нарушая нормальное протекание процесса.
На рис. 7 представлены зависимости выбросов углерода в г/(кВт • ч) от комплекса показателей процессов распыливания, смесеобразования и сгорания BCD [15].
Рис. 7. Зависимость удельного выброса углерода от комплекса показателей BCD при работе ДВС по нагрузочной характеристике
Как видно из представленных данных, с ростом комплекса показателей BCD удельный выброс углерода в г/(кВт • ч) снижается, причем зависимость величины выброса от комплекса показателей BCD близка к линейной. Снижение выбросов наблюдается до тех пор, пока топливные струи не достигают стенок камеры сгорания. При достижении топливными струями стенок камеры сгорания удельный выброс углерода начинает расти, поскольку часть топлива перемешивается с воздухом по объемному механизму, а часть - по пленочному. Рост удельного выброса углерода объясняется тем, что стенки камеры сгорания относительно холодные, следовательно, условия испарения и протекания предпламенных реакций менее благоприятны.
Заключение
Анализ экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы:
1. В судовых ДВС, работающих по регуляторной характеристике, изменение выбросов углерода с отработавшими газами в функции от индикаторной мощности имеет линейный характер во всем диапазоне нагрузок, если струи топлива не попадают на холодные стенки камеры сгорания.
2. В случае попадания топлива на холодные стенки камеры сгорания закономерность с = fN), начиная с момента достижения топливными струями стенок камеры сгорания, делится на 2 части, каждая из которых близка к линейной.
3. Аналогичная закономерность прослеживается относительно комплекса параметров BCD, характеризующих процесс сгорания.
4. С целью сокращения выбросов углерода, увеличения полноты сгорания и снижения расхода топлива, а также обеспечения безопасной эксплуатации ДВС необходимо назначать по возможности такие режимы работы и поддерживать техническое состояние деталей ЦПГ, топливной аппаратуры, систем наддува и газообмена, при которых выбросы углерода имеют минимальное значение.
5. При разработке новых двигателей и модернизации существующих давление впрыска и параметры распылителей следует подбирать таким образом, чтобы на режимах наибольшей топливоподачи исключить попадание топливных струй на холодные стенки камеры сгорания.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Межерицкий А. Д. Турбокомпрессоры систем наддува судовых дизелей. Л.: Судостроение, 1986. 248 с.
2. Soot Deposits and Fires in Exhaust Gas Boiler. URL: www.manbw.com.
3. Семёнов Б. Н., Лазурко В. П., Киреичев Г. А., Финогенов А. Н. Некоторые результаты исследования температурных полей факела распыленного топлива в объеме и при его взаимодействии со стенкой // Тр. ЦНИДИ. 1975. Вып. 68. С. 27-35.
4. СвиридовЮ. Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. Л.: Машиностроение, 1972. 244 с.
5. Гафуров Р. А., Глебов Г. А., Скворцов Ю. М. Исследование структуры дизельной топливной струи при циклическом впрыскивании методом импульсной голографии // Двигателестроение. 1996. № 3-4. С. 10-12.
6. Дьяченко Н. Х., Костин А. К. и др. Теория двигателей внутреннего сгорания / под ред. Н. Х. Дьяченко. Л.: Машиностроение, 1974. 552 с.
7. Одинцов В. И. Метод расчёта процесса тепловыделения в судовых ДВС с учётом влияния системы конструктивных факторов // Двигателестроение. 1989. № 11. С. 16-17.
8. Одинцов В. И. Метод расчёта продолжительности процесса сгорания в мало- и среднеоборотных ДВС с учётом влияния конструктивных факторов // Двигателестроение. 1990. № 4. С. 27-38.
9. Одинцов В. И. Рабочий процесс судовых ДВС. Калининград: Изд-во БГАРФ, 2010. 135 с.
10. Кавтарадзе Р. З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 720 с.
11. Стечкин Б. С., Генкин К. И. и др. Индикаторная диаграмма, динамика тепловыделения и рабочий цикл быстроходного поршневого двигателя. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 231 с.
12. Гафуров Р. А., Глебов Г. А., Скворцов Ю. М. Диагностика структуры нестационарной дизельной топливной струи при циклическом впрыскивании методом импульсной голографии // Вестн. КГТУ им. А. Н. Туполева. 1997. № 4. С. 5-9.
13. Марков В. А., Девянин С. Н., Мальчук В. И. Впрыскивание и распыливание топлива в дизелях. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 359 с.
14. Экспериментальное исследование влияние триботехнического состава «Нановит» на основные показатели работы автомобильного дизельного двигателя КАМАЗ-740.10 - эффективную мощность, расход топлива, скорости износа: отчёт о НИР / Санкт-Петерб. гос. политехн. ун-т: рук. Галышев Ю. В.; исп. Шабанов А. Ю., Зайцев А. Б. URL: www.nanovit.kz.>wp.-content/uploads/2013/09/kamaz.doc.
15. Одинцов В. И. Расчётное исследование условий повышения экономичности судовых средне-и малооборотных ДВС // Двигателестроение. 1988. № 5. С. 5-7.
Статья поступила в редакцию 19.10.2016
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Одинцов Виктор Иванович - Россия, 236022, Калининград; Калининградский государственный технический университет; д-р. техн. наук, профессор; профессор кафедры судовых энергетических установок; [email protected].
Глазков Дмитрий Юрьевич - Россия, 236022, Калининград; Калининградский государственный технический университет; старший преподаватель кафедры судовых энергетических установок; [email protected].
V. I. Odintsov, D. Yu. Glazkov
PROVISION OF THE CONDITIONS FOR SAFE OPERATIONS OF MARINE INTERNAL COMBUSTION ENGINES BY LIMITING THE EMISSION OF INCOMPLETE COMBUSTION PRODUCTS
Abstract. In order to establish the patterns of carbon emission with the exhaust gasses, there were conducted the experiments on 1 Ц 17.5/24 (1 NVD24) and 6 TO 12.8/15.5 (MAN D 2866) engines and analyzed the experimental data on 8 ^ 12/12 (KamAZ 740.10) engine. The results of the experiments are processed in relation to indicating power and a complex of the combustion parameters BCD, taking into account the effect of diameter and number of nozzle holes, fuel pressure, its properties, air-fuel ratio and parameters of the state of working body in the diesel cylinder. It was stated that the carbon in the exhaust gases as a function of the power indicator linearly reduces with increasing the load in the whole range, if the fuel jet does not hit the cold combustion chamber walls. If fuel gets on the combustion chamber wall, specific carbon emissions are growing by the law close to the linear. Based on the study results, it is suggested to choose injection pressure and the parameters of the sprays so that to prevent any penetration of fuel jets on the cold combustion chamber walls when developing new engines and upgrading the existing ones.
Key words: mixing and combustion processes, fuel jets, carbon content in exhaust gases, characteristics of mixing and combustion, specific carbon emission.
REFERENCES
1. Mezheritskii A. D. Turbokompressory sistem nadduva sudovykh dizelei [Turbine compressors of charging systems of marine diesels]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1986. 248 p.
2. Soot Deposits and Fires in Exhaust Gas Boiler. Available at: www.manbw.com.
3. Semenov B. N., Lazurko V. P., Kireichev G. A., Finogenov A. N. Nekotorye rezul'taty issledovaniia temperaturnykh polei fakela raspylennogo topliva v ob"eme i pri ego vzaimodeistvii so stenkoi [Some results of the examination of the temperature fields of the flame of hot fuel and its interaction with the wall]. Trudy TsNIDI, 1975, iss. 68, pp. 27-35.
4. Sviridov Iu. B. Smeseobrazovanie i sgoranie v dizeliakh [Mixing and combustion in diesels]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1972. 244 p.
5. Gafurov R. A., Glebov G. A., Skvortsov Iu. M. Issledovanie struktury dizel'noi toplivnoi strui pri tsiklicheskom vpryskivanii metodom impul'snoi golografii [Study of the structure of diesel fuel jet at cyclic injection using the method of impulse holography]. Dvigatelestroenie, 1996, no. 3-4, pp. 10-12.
6. D'iachenko N. Kh., Kostin A. K. i dr. Teoriia dvigatelei vnutrennego sgoraniia [Theory of internal combustion engines]. Pod redaktsiei N. Kh. D'iachenko. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1974. 552 p.
7. Odintsov V. I. Metod rascheta protsessa teplovydeleniia v sudovykh DVS s uchetom vliianiia sistemy konstruktivnykh faktorov [Method for calculation of the process of heat release in marine ICE taking into account the systems of constructive factors]. Dvigatelestroenie, 1989, no. 11, pp. 16-17.
8. Odintsov V. I. Metod rascheta prodolzhitel'nosti protsessa sgoraniia v malo- i sredneoborotnykh DVS s uchetom vliianiia konstruktivnykh faktorov [Method for calculation of the durability of the combustion in low-and medium-speed ICE taking into account the constructive factors]. Dvigatelestroenie, 1990, no. 4, pp. 27-38.
9. Odintsov V. I. Rabochiiprotsess sudovykh DVS [Operating process of marine ICE]. Kaliningrad, Izd-vo BGARF, 2010. 135 p.
10. Kavtaradze R. Z. Teoriia porshnevykh dvigatelei. Spetsial'nye glavy [Theory of piston engines. Special sections]. Moscow, Izd-vo MGTU imeni N. E. Baumana, 2008. 720 p.
11. Stechkin B. S., Genkin K. I. i dr. Indikatornaia diagramma, dinamika teplovydeleniia i rabochii tsikl bystrokhodnogo porshnevogo dvigatelia [Indicating diagram, dynamics of heat release and operating cycle of high-speed piston engine]. Moscow, Izd-vo AN SSSR, 1960. 231 p.
12. Gafurov R. A., Glebov G. A., Skvortsov Iu. M. Diagnostika struktury nestatsionarnoi dizel'noi toplivnoi strui pri tsiklicheskom vpryskivanii metodom impul'snoi golografii [Diagnostics of the structure of mobile diesel fuel jet at cyclic injection using the method of impulse holography]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta imeni A. N. Tupoleva, 1997, no. 4, pp. 5-9.
13. Markov V. A., Devianin S. N., Mal'chuk V. I. Vpryskivanie i raspylivanie topliva v dizeliakh [Injection and spraying of fuel in diesels]. Moscow, Izd-vo MGTU imeni N. E. Baumana, 2004. 359 p.
14. Eksperimental'noe issledovanie vliianie tribotekhnicheskogo sostava «Nanovit» na osnovnye pokazateli raboty avtomobil'nogo dizel'nogo dvigatelia KAMAZ-740.10 — effektivnuiu moshchnost', raskhod topliva, skorosti iznosa [Experimental study of the effect of triboengineering composition "Nanovit" based on the parameters of the operations of motor diesel engine KAMAZ-740.10 - effective power, fuel consumption, wear rate]. Otchet o NIR. Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi politekhnicheskii universitet. Rukovoditel' Galyshev Iu. V.; ispolniteli Shabanov A. Iu., Zaitsev A. B. Available at: www.nanovit.kz>wp.-content/uploads/2013/09/kamaz.doc.
15. Odintsov V. I. Raschetnoe issledovanie uslovii povysheniia ekonomichnosti sudovykh sredne i malooborotnykh DVS [Numerical study of the conditions of increasing the economic efficiency of marine medium- and low-speed ICE]. Dvigatelestroenie, 1988, no. 5, pp. 5-7.
The article submitted to the editors 19.10.2016
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Odintsov Viktor Ivanovich - Russia, 236022, Kaliningrad; Kaliningrad State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Ship Propulsion Plants; [email protected].
Glazkov Dmitriy Yurievich - Russia, 236022, Kaliningrad; Kaliningrad State Technical University; Senior Lecturer of the Department of Ship Propulsion Plants; [email protected].
