CC BY
150
УДК 621.43.068:621.431
Е. В. Климова
ОЦЕНКА УРОВНЯ ТОКСИЧНОСТИ И ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ПРИ РАБОТЕ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ НА РАЗЛИЧНЫ1Х РЕЖИМАХ
Работа судового дизеля сопровождается выделением в окружающую среду веществ, неблагоприятно действующих на человека, животный и растительный мир. Основная масса этих веществ выбрасывается в окружающую среду вместе с отработавшими газами (ОГ). Вредные вещества выделяются с картерными газами, а также в результате испарения топлива, смазочного масла, охлаждающих жидкостей или обгорания веществ, краски, посторонних материалов на горячих поверхностях. Однако общий объем вредных веществ, выделяющихся со всеми этими газами, не превышает 3 % от выбросов ОГ, поэтому именно снижению концентрации вредных веществ в ОГ необходимо уделять основное внимание [1].
Концентрация вредных веществ в ОГ зависит от многих факторов, основными из которых являются эксплуатационные показатели работы дизеля и регулировочные характеристики, степень износа элементов топливной аппаратуры и цилиндропоршневой группы, качество фракционного состава топлива, конструктивные особенности дизеля, качество смесеобразования и процесса сгорания топливно-воздушной смеси. Наиболее интересной и малоизученной в настоящее время представляется зависимость уровня токсичности и дымности ОГ судовых дизелей от режимов их работы.
Работа судовых дизелей в условиях эксплуатации характеризуется частыми и резкими изменениями крутящего момента двигателя и частоты вращения коленчатого вала. Эти особенности работы в условиях эксплуатации связывают с понятием режима работы двигателя. Под режимом работы следует понимать совокупность режимов работы системы двигателя и потребителя энергии, определяющих протекание рабочего цикла, который оценивается параметрами, характеризующими работу в единицу времени. Параметрами режима работы двигателя являются эффективный крутящий момент, или среднее эффективное давление при соответствующей частоте вращения коленчатого вала, или эффективная мощность двигателя [2].
Режимы работы условно разделяют на установившиеся и неустановившиеся и связывают с этим как физику внутрицилиндровых процессов, так и показатели, характеризующие мощно-стные, экономические и экологические параметры двигателя.
Судовые дизели значительную часть времени работают в неустановившихся режимах. При ступенчатых набросах нагрузки, т. е. при резком изменении положения рейки топливных насосов, частота вращения турбокомпрессора изменяется относительно медленно. Вследствие этого коэффициент избытка воздуха снижается до значений близких к единице, что связано с инерционностью турбокомпрессора. В этих условиях увеличивается количество продуктов неполного сгорания топлива и растет дымность ОГ.
Результаты исследований [2] показали, что количество токсичных выбросов в неустано-вившихся режимах может существенно отличаться от их количества в установившихся режимах. Необходимо отметить, что способы снижения токсичных выбросов в неустановившихся режимах имеют свои конструктивные особенности и не используются для установившихся режимов.
При анализе состава ОГ целесообразно использовать два основных понятия: токсичность и дымность ОГ. Токсичные компоненты - это вредные вещества, входящие в состав ОГ. Дымность ОГ - это свойство газа, обусловленное наличием в его составе твердых и жидких аэрозольных частиц. Подавляющую часть их массы (свыше 95-98 %) составляет сажа [1].
На режиме разгона дымность при нахождении рейки на упоре максимальной подачи повышается на 80 %, а затем снижается до номинального значения. Концентрация окислов азота возрастает на 20 % при разгоне [3]. В дальнейшем, через 30-60 с, количество выбросов окислов азота становятся равными количеству выбросов на номинальном режиме. Таким образом, анализ режимов разгона показывает, что наряду с увеличением дымности имеет место и увеличение количества окислов азота.
Причина роста объемов токсичных выбросов состоит в том, что в первый момент переходного режима период задержки самовоспламенения существенно больше, а давление наддува
и частота вращения меньше, чем на установившемся режиме, в то время как подача топлива идентична подаче на номинальном режиме. В результате имеет место заброс концентрации окислов азота вследствие увеличенной задержки воспламенения и заброс дымности вследствие попадания струи топлива на стенку камеры сгорания.
При испытаниях дизеля на установившихся режимах выявлено, что при уменьшении частоты вращения при работе по винтовой характеристике концентрация сажистых частиц уменьшается со 150 мг/м3 при п = 700 млн1 до 30 мг/м3 при п = 500 млн1 [3]. Это можно объяснить тем, что при снижении частоты вращения дизеля с турбонаддувом, работающего по винтовой характеристике, значение периода задержки самовоспламенения топлива увеличивается из-за снижения температуры и давления в цилиндре дизеля, жесткость рабочего процесса растет, количество выделившейся теплоты в первой фазе увеличивается, а во второй - снижается. В целом процесс образования и выгорания сажи смещается к верхней мертвой точке. Длительность процесса выгорания сажи по времени увеличивается, а концентрация сажистых частиц уменьшается.
При работе судна на переходных режимах увеличение дымности коррелируется с количеством топлива, попавшего в пристеночную зону, попадая на относительно холодную стенку камеры сгорания, топливная струя способствует увеличению образования сажи по низкотемпературному механизму.
В режиме разгона задержка воспламенения топлива уменьшается с ростом давления наддува и температуры в цилиндре. Максимальное давление сгорания растет с увеличением давления наддува. Переходный режим характеризуется разностью мощностей на турбине и компрессоре, и в период, когда мощность на турбине выше, турбина разгоняет компрессор. Коэффициент избытка воздуха вначале падает по причине резкого увеличения цикловой подачи топлива, а затем растет при увеличении цикловой подачи воздуха вследствие повышения частоты вращения турбокомпрессора. Причиной резкого увеличения выброса сажи в первоначальный момент является то, что часть фронта струи попадает на относительно холодную стенку камеры сгорания. Это происходит в основном из-за того, что цикловая подача топлива близка к номинальной, а величина задержки воспламенения в полтора раза превышает номинальную величину - происходит увеличение длины топливной струи. Кроме того, по причине низкого давления наддува в первое время плотность заряда в цилиндре невысока и длина топливной струи дополнительно увеличивается.
Выбросы окислов азота в период увеличения нагрузки также растут в связи с увеличением максимальных температур в цилиндре из-за увеличенной задержки самовоспламенения, что приводит к увеличению доли топлива, попавшей в цилиндр за время задержки, и, соответственно, к увеличению максимальной температуры в фазе кинетического сгорания.
В режиме разгона целесообразно ограничивать ход рейки. Метод ограничения подачи топлива при увеличении нагрузки снижает пиковые вредные выбросы, а время разгона растет незначительно, что допустимо с точки зрения эксплуатации судовых энергетических установок [4].
Доля установившихся режимов составляет меньшую часть, а большая приходится на неустановившиеся [3]. При эксплуатации судовых дизелей преобладают режимы работы с низкой частотой вращения коленчатого вала и невысокой нагрузкой. Большую часть составляют неустановившиеся режимы работы двигателя, отличающиеся от сходных установившихся режимов значениями коэффициента избытка воздуха, температурным режимом камеры сгорания и топливной экономичностью. Значения показателей токсичности и дымности ОГ судовых дизелей зависят от соотношения установившихся и неустановившихся режимов. На неустановившихся режимах нарушается соотношение подач топлива и воздуха в камеру сгорания дизеля. В результате происходит отклонение коэффициента избытка воздуха от оптимального значения. Поэтому наибольшего содержания токсичных веществ в ОГ следует ожидать именно на этих режимах.
Характер химических реакций, протекающих при сгорании топлива, обусловливает тепловые процессы в элементах установки (количество выделяющегося тепла, температур рабочих тел), объемы ОГ и их состав. Указанные взаимосвязи диктуют необходимость комплексного подхода к изучению параметров рабочего процесса, оказывающих значительное влияние на причины образования и количество вредных выбросов с ОГ.
С увеличением нагрузки, давления, угла опережения впрыска, коэффициента избытка воздуха, максимального давления впрыска топлива, степени сжатия и, как следствие, повышением температуры сгорания растет концентрация окислов азота. При минимальных нагрузках и тем-
пературе сгорания содержание окислов азота наименьшее. Своего максимума выбросы достигают на эксплуатационном режиме с нагрузкой 80-90 %. Именно на этом режиме эффективный КПД наибольший при наименьшем расходе топлива, максимальная температура сгорания также достигает наибольших значений.
На малых нагрузках (25-50 %), при снижении температуры сгорания, высоком коэффициенте избытка воздуха, низком нарастании давления впрыска и из-за пропусков воспламенения количество выбросов окислов углерода, углеводородов и альдегидов становится максимальным. При нагрузке 90-100 % выбросы минимальны. Это связано с увеличением числа оборотов и улучшением распыления топлива за счет нарастания давления впрыска. При дальнейшем увеличении нагрузки наблюдается повышение содержания окислов углерода и снижение выбросов окислов азота. Объяснить это можно следующим образом. С уменьшением эффективного КПД уменьшается теплота сгорания, следовательно, уменьшается количество выбросов окислов азота, но в этих условиях наблюдается увеличение выбросов окислов углерода и повышение дымности. Минимального количества выбросов окислов углерода можно достичь при оптимальном коэффициенте избытка воздуха, который с ростом мощности выходит за таковые границы. При высоких нагрузках происходит ухудшение смесеобразования в результате некачественного распыления топлива. На данном этапе повышается цикловая подача топлива, появляются переобо-гащенные топливом зоны в камере сгорания при практическом отсутствии свободного кислорода. Еще одной причиной изменения характера зависимостей является сведение к минимуму концентрации кислорода при высоких нагрузках. Этот факт замедляет скорость образования окислов азота. Необходимо отметить и то, что температура сгорания повышается медленнее при нагрузке более 90 %.
Длительная работа на холостом ходу или на низких скоростных режимах, уменьшение угла опережения впрыска и уменьшение давления впрыска, пониженная максимальная температура сгорания и уменьшение теплоты сгорания топлива ведут к увеличению дымности. При частоте вращения коленчатого вала более 2 000 мин-1 дымность несколько увеличивается, что объясняется преобладающим влиянием сокращения времени сгорания топлива. Содержание углеводородов в ОГ зависит в основном от температуры сгорания и коэффициента избытка воздуха. На долевых режимах происходит большое недогорание топлива в связи с избытком кислорода. Как следствие, значения выбросов углеводородов достигают на этих режимах своей максимальной величины. С увеличением нагрузки, а значит, числа оборотов коленчатого вала и эффективного давления содержание углеводородов снижается, однако при перегрузках вновь стремится к максимуму. Причиной служит ухудшение смесеобразования, как и в случае с окислами углерода.
Изменение концентрации отдельных токсичных компонентов подчиняется определенной закономерности, напрямую зависящей от основных показателей рабочего процесса двигателя, значит, в процессе эксплуатации судна, - от режима работы дизеля. Установив эту закономерность путем воздействия на рабочий процесс дизеля, можно существенно снизить количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Промышленно-транспортная экология: учеб. для вузов / под ред. В. Н. Луканина. - М.: Высш. шк., 2001. - 273 с.
2. Марков В. А., Шлено М. И., Фурман В. В. Оценка расхода топлива и токсичности отработавших газов дизеля на различных режимах // Грузовик. - 2006. - № 2. - С. 40-49
3. Толшин В. И., Якунчиков В. В. Режимы работы и токсичные выбросы отработавших газов судовых дизелей. - М.: МГАВТ, 1999. - 191 с.
4. Шаров Г. И. Режимы работы и характеристики тепловыделения в цилиндре судового высокооборотного дизеля: автореф. дис. ... канд. техн. наук, 2007. - 18 с.
Статья поступила в редакцию 9.09.2008
THE ESTIMATION OF TOXICITY AND SMOKING LEVEL OF EXHAUST GASES AT WORK OF A MARINE DIESEL ENGINE ON VARIOUS MODES
Е. V. Klimova
Basic features of work of marine diesel engines on steady and transient modes are considered. The change of quantity of harmful pollutants in exhaust gases of ship diesel engines, and the change of characteristics of the working process depending on the mode of operations of marine diesel engines and their influence on toxicity and smoking of the engine is analyzed in the paper. It is established that the change of concentration of toxic pollutants is under the certain regularity, which is directly dependent on basic parameters of the working process of the engine. T aking into account this regularity and influencing on the working process of the diesel engine, it is possible to lower down essentially the concentration of toxic pollutants thrown out into the atmosphere.
Key word: marine diesel; operating mode; exhaust gases; concentration of harmful pollutants.
