CC BY
109
УДК 621.43.068
Ибрагим Таманджа, Н. Н. Шуйтасов
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ НА ТОКСИЧНОСТЬ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ 1Ч 17,5/24 И 4Ч 8,5/11 ПО НАГРУЗОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ ПРИ РАБОТЕ НА ДИЗЕЛЬНОМ И БИОДИЗЕЛЬНОМ ТОПЛИВЕ
Введение
С 19 мая 2005 г. вступило в силу Приложение VI к Международной конвенции (МК) МАРПОЛ 73/78 по предотвращению загрязнения атмосферы с судов токсичных выбросов с отработавшими газами (ОГ), установившее ограничения на предельно допустимое содержание серы в морском топливе [1, 2]. В октябре 2008 г. 58-я сессия ИМО (IMO - International Maritime Organisation, Международная морская организация) приняла новую редакцию Приложения VI. Новой редакцией правил предусмотрен поэтапный (Tier I - Tier III) ввод в действие новых нормативов [3]. Новая редакция подтверждает постоянное ужесточение нормативов выбросов.
Национальной нормативно-правовой базой, на которую следует опираться при введении в действие Приложения VI МК МАРПОЛ 73/78, является действующий Федеральный закон «Об охране атмосферного воздуха» (ст. 17, Собрание законодательства РФ, 1999 г. № 18 ст. 2222) и Постановление Правительства РФ № 83 от 06.02.2002 г. «О проведении регулярных проверок транспортных и иных передвижных средств на соответствие техническим нормативам выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух». В соответствии с п. 1 этого постановления, регулярные проверки морских судов, судов внутреннего плавания, судов смешанного (река-море) плавания проводятся с 2004 г. в соответствии с техническими нормативами. Для реализации этого постановления необходимо внедрить в практику действующую нормативную документацию: ГОСТ Р 51249-99 (с изменением № 1) [4], ГОСТ Р 51250-99 (с изменением № 1) [5], ГОСТ 30574-98 (с изменением № 1) [6], ГОСТ Р ИСО 8178 ч. 2 [7] и другие руководства, правила, разработанные Российским морским регистром судоходства).
Целью исследований являлось сравнение показателей эмиссии токсичных выбросов с отработавшими газами при работе судового дизеля на традиционном дизельном и альтернативном биодизельном топливе, а также возможность дальнейшего применения альтернативного топлива в судовой энергетике.
Биодизель или биодизельное топливо - это экологически чистый вид топлива, получаемый из растительных масел и животных жиров и используемый для замены (экономии) обычного дизельного топлива [8].
Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания, как самостоятельно, так и в смеси с обычным дизельным топливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя [9].
Испытания проводились на судовых дизелях 1Ч 17,5/24 и 4Ч 8,5/11, которые установлены в лаборатории тепловых двигателей Астраханского государственного технического университета. Биодизельное топливо марок В5, В20, В40, В100, основой которого являлось отработанное подсолнечное масло, было получено в лаборатории кафедры «Эксплуатация водного транспорта».
Объекты исследования и приборная база
Судовой дизель 1Ч 17,5/24 является нереверсивным одноцилиндровым тронковым четырехтактным дизелем без наддува производства Магдербургского завода (Германия).
Основные технические характеристик дизеля 1Ч 17,5/24: номинальная эффективная мощность Ре = 16 кВт; номинальная частота вращения коленчатого вала n = 630 об/мин; среднее эффективное давление при работе в номинальном режиме pme = 0,535 МПа; максимальное давление сгорания pmax = 5,2 МПа; средняя скорость поршня Cm = 5,05 м/с; номинальная степень сжатия е = 14,85; удельный расход топлива на номинальной мощности be = 245 ± 10 % г/(кВт • ч), геометрический угол опережения впрыска топлива 18° п.к.в.
Установка включает в себя одноцилиндровый отсек судового дизеля Ч 17,5/24, жестко связанный с генератором постоянного тока, имеющим U = 230 B, I = 55 А при n = 630 об/мин. Генератор отдает электрическую энергию нагрузочному устройству (нагревателю воздуха), в котором
применен стандартный электронагревательный элемент ТЭН-400. ТЭН-400 выполнен в виде сопротивления, помещенного в диэлектрический наполнитель, находящийся внутри трубчатой оболочки, которая охлаждается воздухом естественной конвекции. ТЭНы соединены группами для обеспечения нагрузки дизеля в 25-110 % его номинальной мощности. Кроме того, ступенчатое включение пяти ТЭНов по 0,4 кВт обеспечивает высокую точность создаваемой нагрузки. К генератору ТЭНы подключаются с использованием щита управления, оборудованного системой включения, защиты и контроля. Нагрузка генератора изменяется с помощью переключателей, размещенных на щите управления, и фиксируется по показаниям вольтметра и амперметра.
Экспериментальная установка 4Ч 8,5/11 (Ре = 19 кВт, п = 1 500 об/мин) представляет собой дизель с вихрекамерным смесеобразованием, соединенный посредством упругой втулочнопальцевой муфты с генератором ПМ81ОМ-5, нагружение которого осуществляется посредством теплового электронагревателя. Долевые нагрузочные режимы создаются посредством изменения тока возбуждения генератора при помощи реостата, включенного последовательно с шун-товой обмоткой цепи возбуждения. Принципиальная схема топливной системы дизеля 4Ч 8,5/11 представлена на рис. 1.
ч Смесительный клапан
Рис. 1. Принципиальная схема топливной системы судового дизеля 4Ч 8,5/11
Испытания проводились при работе судовых дизелей по нагрузочной характеристике на четырех режимах: холостой ход, 50, 75, 100 % от N ном. На каждом режиме в качестве топлива поочередно использовалось: дизельное топливо - биодизельное топливо марки В 5 - марки В20 -марки В40 - марки В100.
Экспериментальное исследование судовых дизелей 1Ч 17,5/24 и 4Ч 8,5/11 при их работе на биодизельном топливе в различных пропорциях по отношению к дизельному топливу -
5, 20, 40, 100 % (марки: В5, В20, В40, В100) проводилось для оценки влияния состава смесевого биотоплива на показатели топливной экономичности и токсичности отработавших газов с судового дизеля. Испытания на биодизельном и дизельном топливе проводились при одинаковых условиях (1Ч 17,5/24 - угол опережения подачи топлива 18о п.к.в. до верхней мертвой точки, температура окружающего воздуха +10 °С, давление впрыска Рвпр = 24,5 МПа; 4Ч 8,5/11 - угол опережения подачи топлива составлял 15° п.к.в. до верхней мертвой точки, температура окружающего воздуха +10 °С, давление впрыска Рвпр = 14,5 МПа).
Определение часового расхода топлива производилось объемным способом. Расход воздуха определялся дроссельным устройством. Измерения температуры отработавших газов, температуры воды проводились проверенными термометрами.
Измерения концентрации эмиссии токсичных выбросов, дымности отработавших газов и звукового давления производились с использованием газоанализатора АНКАТ-310, дымомера Testo 308 и шумомера 3-го класса ШУМ-1М30.
в
Рис. 2. Приборная база: а - сажемер Testo 308; б - шумомер 3-го класса ШУМ-1М30;
в - газоанализатор АНКАТ-310
Результаты испытаний судового дизеля 1Ч 17,5/24
Для наглядного представления полученных экспериментальных данных, а также для упрощения анализа были построены гистограммы (рис. 3-10).
Н
350
300
250
200
150
U
о
рсТ
О
3
(-Н
X
к В
и
оЗ
н о ю
оЗ Л н о
оЗ
Л
Й Л и с
Р “1
50
0
о
ООО Н ul (N ^ ГІ СО СО СО СО
О
ООО К. 1Л гч <-■
Ct СО 00 СО 00
15o ззз-
о
ООО К tn <N И
с[ со аз со аз
50 %
75 %
о
ООО К. LA ГМ гН
R СО СО СО СО
100 %
Рис. 3. Зависимость температуры отработавших газов от вида топлива и нагрузки, % от Ые
х. х. - холостой ход
х. х.
Концентрация СО, ррт Концентрация N0» ррт Концентрация N0, ррш
х. х. 50 % 75 % 100 %
Рис. 4. Зависимость концентрации N0 в выхлопных газах от вида топлива и нагрузки, % от Ые ном
х. х. 50 % 75 % 100 %
Рис. 5. Зависимость концентрации N0х в выхлопных газах от вида топлива и нагрузки, % от Ые ном
Звуковое давление, дБ Сажевое число, уел. ед.
и
10
х. х.
50 %
75 %
100 %
Рис. 7. Зависимость концентрации сажи в выхлопных газах от вида топлива и нагрузки, % от Ые ном
33,5
эз
92,5
92
91,5
91
90,5
93 93 93 93
92,5 92,5 92,5 1^2^” 92,5 92,5 ^92,5 92,5
О Н 1Л N сГ ей ей В40 1 , о 1—_ Ц"1 <N1 т ей 1 II оЕ1 о о И ^ 1-4 Ні “ “1! II О ООО Н 1Л М 'ї н ч ш ш со а 1 іл с£ ей В20 ІС° 11 6100 1 ■'
х. х.
50 %
75 %
100 %
Рис. 8. Зависимость звукового давления, исходящего от двигателя, от вида топлива и нагрузки, % от Ые ном
х. х.
50 %
75 %
100 %
Рис. 10. Зависимость максимального давления сгорания от вида топлив и нагрузки, % от Ые ном
Результаты испытаний судового дизеля 4Ч 8,5/11
Экспериментальные испытания судового дизеля 4Ч 8,5/11 также проводились на традиционном дизельном топливе и на альтернативном биодизельном топливе марок В5, В20, В40 и В100.
Результаты испытаний представлены ниже на графиках зависимости: концентраций N0, Шх, СО, С02, 02, сажевого числа, температуры отработавших газов, звукового давления, расхода топлива от нагрузки (холостой ход, 50, 75, 90 % от Ые ном).
Для наглядного представления полученных экспериментальных данных, а также для упрощения анализа были построены гистограммы (рис. 11-17).
12
10
8
6
4
2
0
О
О
«
к
я
сЗ
К
и
Я
к
о
9,599 019’3£9,15
3,92 3,81
3,1 3,143,12
0 сч со 0 со о со
1— 1—
-Х2Є
6,8
X. X.
50 '
75 1
90 %
Рис. 11. Зависимость концентрации C02 в выхлопных газах от вида топлива и нагрузки, % от Ые ном
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
844
825
821
760 789 — 758
437 409
312 302
228
о 3 1— 5? 1=1 8 1=1 я 3 8
СО со 1-І СО ш СО СО СО
50 %
75 %
90 %
Рис. 12. Зависимость концентрации NO в выхлопных газах от вида топлива и нагрузки, % от Ые ном
х. х.
Сажевое число, усл. ед.
д 6000
л
л
, 5000
х
О
^ 4000
К сЗ £
X
«и
X о
3000
2000
1000
0
4785
.4990
х. х.
— 2017
о т
1—
50%
12741159
ІсДоа
75 %
1617
142011 981350
90 %
Рис. 13. Зависимость концентрации КОх в выхлопных газах от вида топлива и нагрузки, % от Ые ном
ЕТ
Ч
сЗ
«
К
ч
к
о
н
ч
о
X
о
сЗ
Рч
2,56
2,53 2,58 2,62
1,951,99 2,02
сз СП СЗ СП СЗ СЗ СП СЗ СП СЗ СП
1— 1— 1=1
3,75 3,84 3,91
4,55 4,66 4,72
4,96
х. х.
50%
75 і
90%
Рис. 14. Зависимость расхода топлива дизеля от вида топлива и нагрузки, % от Ые ном
5
4.5 4
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0,5
0
2,8
0,9 0,8 0 7 0 7
1— СІ "о" см т ь-гл Г^1
00 со
2,3
1,9
3,8
32-
2,8
4,4
сі
3,8
3,6 3,5
т
х. х.
50%
75%
90 %
18 < 16 Ч 14
и
ч
«
й
ч
и
о
«
§
00
12
10
16,716,626,65
15,57 15 14
11091,66
7,92 8,66 8,14 8,47
1— 1=1 В 20 0 В 1— 0 В 1— 0 2 В 1— 0 2 В 0 В 0 0 В
X. X.
50'
75 1
100 %
Рис. 16. Зависимость звукового давления от вида топлива и нагрузки, % от Ые ном
О
т
о
350
X
к
В
т
03
Н
О
ю
03
Л
н
о
03
Л
г
Л
и
к
5!
и
Н
300
250
200
150
100
50
312 301 305
236
143 142
1121171
05
50 %
215
272-
75 %
90%
8
6
4
2
0
0
Рис. 17. Зависимость температуры отработавших газов от вида топлива и нагрузки, % от Ые ном
Анализ результатов испытаний
Анализ полученных данных показал, что на всех режимах нагрузочных характеристик, по мере роста доли биодизеля в бинарных топливных смесях и связанного с этим уменьшения теплоты их сгорания, постепенно увеличивается часовой и удельный эффективный расход топлива. Температура отработавших газов при использовании биодизеля на некоторых режимах меньше, чем дизельного, но с различными смесями и при определённой нагрузке - выше.
Уменьшение звукового давления при переходе от дизельного топлива к биодизелю связано с более совершенными смазывающими характеристиками биодизеля по сравнению с дизельным топливом и более высоким цетановым числом, благодаря чему двигатель работает более мягко.
При работе судовых дизелей на биодизельном топливе показатели токсичных эмиссий с отработавшими газами весьма различны при работе на разных режимах и нагрузках. Возможно, причина кроется в качестве полученного биодизельного топлива или техническом состоянии экспериментальных установок. В любом случае необходимо проводить дополнительные испытания на биодизельном топливе.
Таким образом, по результатам испытаний можно сделать следующие выводы:
— отличия в физико-химических показателях дизельного и биодизельного топлива влияют на работу дизелей;
— использование биодизеля и его бинарных смесей с дизельным топливом позволяет не только улучшить некоторые экологические показатели, но и уменьшить шумность работы благодаря более высокому цетановому числу и более совершенным смазывающим свойствам биодизеля по сравнению с дизельным топливом;
— замена стандартного дизельного топлива на биодизель и их бинарные смеси приводит к ухудшению топливной экономичности двигателя, в то время как 100 %-й биодизель дешевле, чем дизельное топливо;
— исследования подтвердили возможность использования биодизеля и его бинарных смесей с дизельным топливом в качестве топлива для судовых дизелей.
Ниже представлены плюсы и минусы использования биодизельного топлива в мировой практике [9].
Плюсы:
— экономический аспект: страны, где нефти нет либо крайне мало, готовы платить зеленым сырьем (а не долларом) за энергетическую независимость;
— биодизельное топливо практически не содержит серы и канцерогенного бензола; разложение этого топлива происходит в естественных условиях без вреда для природы, а в процессе сгорания в двигателе выбросы в атмосферу СО2 на 50-80 % ниже, чем при работе на традиционном минеральном дизельном топливе;
— растительное топливо отличает хорошая воспламеняемость, поскольку его цетановое число достигает 58, тогда как этот показатель для традиционной солярки не превышает 52. Иными словами, зажечь биодизельное топливо легче, но, увы, сгорает оно с меньшей теплоотдачей;
— запасы сырья могут возобновляться ежегодно, культура не требует особого ухода в процессе выращивания;
— в ходе переработки масла получают дополнительные продукты (глицерин, сульфат натрия). Минусы:
— требуются дополнительные площади сельскохозяйственных земель;
— эфиры рапсового масла обладают значительной коррозионной активностью, что чревато потерей стойкости резиновых прокладок и сальников, образованием твердых отложений в форсунках и жиклерах, забитыми топливными фильтрами и отказавшими насосами высокого давления;
— высокое содержание в «растительном» выхлопе окиси азота КОх - на 10 % больше, чем в обычном дизельном топливе.
— борьба с токсичностью приводит и к потере мощности, а ее компенсирует больший расход топлива;
— в 4-5 раз снижается срок службы масел в системе смазки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Евенко В., Гришкин В. «Правила предотвращения загрязнения атмосферы с судов» и их применение // Морской флот. - 2005. - № 5. - С. 54-61.
2. Приложение VI «Инструкция по предотвращению загрязнения атмосферы с судов»: Международная Конвенция МАРПОЛ 73/78, книга III. - СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 2005. - С. 1-81.
3. Мельник Г. В. Новая редакция Приложения VI к МАРПОЛ 73/78 // Двигателестроение. - 2008. -№ 4. - С. 51-52.
4. ГОСТ Р 51249-99. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения (с изменением № 1). - М.: Стандартинформ, 2005. - 36 с.
5. ГОСТ Р 51250-99. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Дымность отработавших газов. Нормы и методы определения (с изменением № 1). - М.: Стандартинформ, 2005. - 38 с.
6. ГОСТ 30574-98 (ИСО 8178-3). Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ и дымность отработавших газов. Циклы испытаний. - Минск: Стандартинформ, 1999. - 15 с.
7. ГОСТ Р 52408-2005 (ИСО 8178-2:1996). Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Часть 2. Измерения в условиях эксплуатации. - М.: Стан-дартинформ, 2006. - 23 с.
8. Девянин С. Н., Марков В. А., Семёнов В. Г. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей. - М.: МГАУ, 2007. - 340 с.
9. Сравнительный анализ альтернативных топлив для дизелей / Н. А. Иващенко, В. А. Марков, А. А. Ефанов и др. // Вестн. Мурман. гос. техн. ун-та. - 2007. - Спец. вып.: Двигатели внутреннего сгорания. - С. 122-138.
Статья поступила в редакцию 27.01.2010
RESULTS OF TESTS FOR TOXICITY OF THE FULFILLED GASES OF SHIP DIESEL ENGINES 1H 17,5/24 AND 4H 8,5/11 UNDER THE LOADING CHARACTERISTIC AT WORK ON DIESEL AND BIODIESEL FUELS
Ibrahim Tamandzha, N. N. Shuytasov
The results of tests for toxicity of the fulfilled gases of ship diesel engines 1^ 17,5/24 4^ 8,5/11 under the loading characteristic at work on diesel and biodiesel fuels are presented. The specificity of using biodiesel fuel in marine engineering such as softer work of the engine; decrease in noise level of the engine; improvement of some ecological parameters of a diesel engine; some increase in the charge of fuel are stated.
Key words: biodiesel fuel, diesel fuel, ecological parameters, toxicity.
