CC BY
75
УДК 621.43.057.3
А. Ф. Дорохов, Ф. В. Патров, В. В. Кабылбекова
УПРАВЛЕНИЕ ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬЮ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ
A. F. Dorokhov, F. V. Patrov, V. V. Kabylbekova
CONTROL OF THE COMBUSTIBILITY OF WATER-FUEL EMULSION BY ADJUSTING THE MOISTURE CONTENT
Дана оценка воспламеняемости топлива в программе электронного управления дизелем. Полученные значения расчетного углеродно-ароматического индекса (CCAI) выявили тенденцию к улучшению воспламеняемости моторных топлив и ухудшение воспламеняемости дизельного топлива с увеличением влагосодержания водотопливных эмульсий (ВТЭ). Возможность изменения на рабочих режимах влагосодержания ВТЭ, а следовательно - плотности и вязкости, обусловила разработку принципа управления воспламеняемостью ВТЭ для обеспечения адаптации рабочего процесса дизеля к различным эксплуатационным режимам его работы. Для дизелей с электронно-управляемым впрыском топлива система электронного управления дает возможность управлять рабочим процессом путем изменения воспламеняемости топлива, например изменением влагосодержания ВТЭ и добавкой воды к топливу, что позволяет качественно регулировать отдельные периоды процесса сгорания.
Ключевые слова: дизели, водотопливная эмульсия, электронное управление, адаптация рабочего процесса.
This study gives an estimation of fuel combustibility in the diesel electronic control program.
The computed values of the calculated carbon aromatic index (CCAI) helped define the way of improvement of the combustibility of engine fuels and deterioration of diesel fuel’s combustibility with increase of the water-fuel emulsion’s moisture content. The possibility to change the water-fuel emulsion’s moisture content, as well as the density and the viscosity at the operating modes has led to the development of a principle controlling the combustibility of water-fuel emulsion to ensure the adaptation of the diesel working process to different operating modes of its work. For diesels with the electronically controllable fuel injection, the electronic control system enables the working process control through changing the fuel’s combustibility, e. g., by changing the water-fuel emulsion’s moisture content and adding water to the fuel that allows individual combustion process to be adjusted qualitatively.
Key words: diesels, water-fuel emulsion, electronic control, working process adaptation.
Введение
Практика и многочисленные исследовательские работы в области обеспечения должной степени энергетической эффективности, топливной экономичности и экологической безопасности подтверждают благоприятное влияние водотопливных эмульсий (ВТЭ) на техническую эксплуатацию судовых дизелей. При впрыске безводного топлива, по мере его испарения, общая поверхность капель уменьшается, а у эмульгированного топлива, за счет микровзрывов, поверхность капель увеличивается в несколько раз. В результате разрыва капель происходит их дробление, более интенсивное перемешивание паров топлива с воздухом. Факел впрыскиваемого топлива занимает значительно больший объем. Несмотря на большую удельную массу эмульсии, дальнобойность струи не увеличивается, а происходит расширение факела по объему камеры сгорания. Вода, находящаяся в эмульгированном топливе, влияет на протекание всех периодов процесса горения.
Основы теории горения водотопливных эмульсий
Период быстрого начального горения - это обычно период от начала воспламенения топлива до момента достижения максимального давления в цилиндре. Этот период характеризуется значительным нарастанием скорости сгорания, ростом давления и температуры в цилиндре. Основным фактором, влияющим на протекание процесса, является накопление топлива за период задержки самовоспламенения. При сжигании ВТЭ накопление топлива происходит медленнее,
чем при использовании обычного топлива, т. к. некоторую часть впрыснутого объема занимает входящая в эмульсию вода. Сгорание эмульгированного топлива протекает быстрее, чем безводного. Например, время сгорания эмульсии мазута на 25-30 % короче, чем безводного мазута [1].
Периодом основного горения считается период от момента достижения максимального давления до точки, в которой показатель политропы расширения равен показателю адиабаты (п2 = Ю. Этот период характеризуется резким уменьшением количества промежуточных продуктов реакции и быстрым увеличением конечных продуктов реакции. Продолжительность периода определяется совершенством подвода воздуха к топливу и продуктам его промежуточного окисления. Интенсивность перемешивания реагирующих компонентов приобретает решающее значение.
При использовании ВТЭ в период основного горения впрыскивается большое количество топлива. Из-за более продолжительного впрыска и микровзрывов происходит дополнительное перемешивание паров топлива, воздуха и конечных продуктов реакции. Увеличение количества впрыскиваемого эмульгированного топлива благоприятно сказывается и на регулировании процесса сгорания. В то же время увеличение общей продолжительности сгорания нежелательно, чрезмерная растянутость впрыска может резко уменьшить достигнутый эффект.
В последнем периоде повышенная концентрация водяных паров в зоне воспламенения-горения, по-видимому, оказывает наибольшее влияние на скорость процесса окисления и горения топлива при самых высоких значениях температуры цикла. Последний период характеризуется непрерывным снижением температуры рабочего тела и концентрации исходных компонентов - топлива и кислорода. Продолжительность периода зависит от степени турбулизации смеси. Повышенное содержание влаги в высокотемпературной газовой смеси способствует активному протеканию процессов газификации, образованию сажистых остатков топлива, что подтверждается также уменьшением коксо- и нагарообразования при введении воды в цилиндр дизеля. Уменьшение подачи ВТЭ в последний период (учитывая увеличение ее подачи в предыдущем периоде) позволит повысить экономичность цикла.
Изучение влияния ВТЭ на процесс сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания показало, что добавка воды к топливу дает возможность качественно регулировать отдельные периоды процесса сгорания. Рост в топливе ароматической составляющей обусловливает ухудшение его способности к самовоспламенению, а повышение степени дисперсности остаточных фракций, расщепление углеводородных молекул на более легкие фракции, интенсивное перемешивание многокомпонентной среды в турбулентных вихрях способствуют ускорению реакции горения и позволяют компенсировать влияние ароматических углеводородов на задержку самовоспламенения топлива [2].
Влияние эмульгированного топлива на рабочий процесс дизеля оценивали многие исследователи как в России, так и за рубежом. В исследованиях О. Н. Лебедева, Л. В. Сергеева, И. А. Иванова, В. Ф. Большакова, 3. Б. Погребинского, В. Н. Петрова, В. П. Носова получены данные о влиянии воды на максимальное давление цикла, скорость повышения давления, период задержки самовоспламенения, температуру стенок камеры сгорания, продолжительность сгорания топлива и дымность. В. Н. Петров [3] на основании исследований по применению ВТЭ в дизелях сделал следующий вывод: каждому значению нагрузки соответствует значение влаго-содержания, изменяющееся в пределах 15-40 %, при котором достигается наибольшая экономичность. Так, при использовании эмульсий для дизеля типа Ч 17,5/24 расход топлива снижается на 5-6 %. Это же, в той или иной степени, отмечают и другие вышеперечисленные авторы, что даёт основание для исследований в области управления рабочим процессом двигателей, работающих на ВТЭ, путём изменения влагосодержания для различных режимов работы с целью достижения лучших эксплуатационных показателей. Такие исследования описаны, например, в [4].
Уменьшение угла опережения подачи ВТЭ позволяет уменьшить динамическую напряженность двигателя при той же экономичности, которую имеет дизель на безводном горючем при паспортной регулировке. Расчетами характеристик тепловыделения подтверждено более высокое совершенство рабочего процесса на эмульгированном топливе, выражающееся в сокращении общей продолжительности сгорания на 10-12° поворота коленчатого вала. Особенность исследований В. М. Иванова [5] заключается в том, что испытания были проведены на двигателе повышенной мощности - тепловозном двухтактном дизеле 10Д20,7/2^25,4 (2Д100). Автор отмечает некоторое увеличение периода задержки самовоспламенения при добавлении воды к топливу.
Была исследована также возможность форсирования двигателя 6Л160-ПНС по среднему индикаторному давлению при работе на эмульгированном дизельном топливе с влагосодержа-нием 10, 20 и 30 %. Во всем рассматриваемом интервале нагрузок удельный расход чистого то-
плива был выше, чем эмульгированного, с увеличением нагрузки эта разница возрастает. Эмульсия с 30 % воды позволяет форсировать двигатель до Ne = 123 % без снижения экономичности по отношению к номинальному режиму на чистом топливе. Исследованиями подтверждено следующее:
- с увеличением количества добавляемой воды возрастает период задержки самовоспламенения и уменьшаются значения рг и X;
- эмульгированное топливо улучшает процессы смесеобразования и горения, позволяет на 15-25 % форсировать двигатель при сохранении его экономичности и уровня дымности без заметного изменения динамических показателей.
Влияние влагосодержания водотопливных эмульсий на воспламеняемость
Улучшению самовоспламеняемости способствует содержание в топливе парафиновых углеводородов и сокращение содержания ароматических, и, наоборот, рост в топливе ароматической составляющей обусловливает ухудшение его способности к самовоспламенению [6]. Основываясь на наличии прямых связей между содержанием ароматических углеводородов в топливе и его плотностью, содержанием парафиновых углеводородов и вязкостью топлив, специалисты фирмы «Шелл» предложили оценивать воспламеняемость топлив на основе расчетного критерия CCAI - Calculated carbon aromaticity index - расчетный углеродно-ароматический индекс. Другим используемым индексом воспламеняемости является CII - Calculated ignition index -расчетный индекс воспламеняемости.
CII или CCAI можно определить с помощью номограмм, приведенных в [5]. Кроме того, CII и ССА1 могут быть рассчитаны по следующим формулам:
CII = 270,795 + 0,10387 - 0,25456р + 23,708lg [lg (v + 0,7)], (1)
CCAI = p - 81 - 141lg[lg (v + 0,85)] - 483lg [(T + 273)/323],
где Т - температура, К; v - кинематическая вязкость при температуре Т, мм2/с; p - плотность при температуре 15 °С, кг/м3.
Эти значения CII и ССА1 могут быть использованы для ранжирования топлив по воспламеняемости. Вычисления CII и CCAI и легкость нахождения определяющих их показателей выгодно отличают эти критерии при учете воспламеняемости в программе электронного управления дизелем. При изучении воспламеняемости ВТЭ в зависимости от ее влагосодержания очевидным становится вопрос о предварительной оценке предельных значений влагосодержания.
Хорошей воспламеняемостью обладают топлива, у которых CCAI не превышает 835 (на рис. 1 зона III), удовлетворительной - топлива с CCAI, лежащим в пределах 835-865 (зона II), и определенные затруднения при сгорании вызывают топлива с CCAI большим 865 (зона I).
200 300400500 700 10001500 и50
Рис. 1. Номограмма расчетного углеродно-ароматического индекса ССА1
ССА1 ВТЭ позволяет оценить ожидаемое изменение работы двигателя и уровней его тепловой напряженности при различном влагосодержании с последующей более точной оценкой этих показателей на основе анализа изменения периода задержки самовоспламенения ф3, скорости на-
растания давления при сгорании Др/Дфср, максимального давления сгорания рг, давления на линии расширения рехр, ориентации точки г относительно верхней мертвой точки фг, среднего индикаторного давления рт, температуры выпускных газов ^ [7]. Перспективной выглядит адаптация рабочего процесса к конкретным условиям работы двигателя корректировкой угла опережения подачи топлива и влагосодержания по вычисленному индексу ССА1 с измерением вязкости и плотности топлива на работающем дизеле. В выражение ССА1 входят плотностьр15, кг/м, и вязкость к50, мм2/с (сСт), ВТЭ. Плотность ВТЭ рассчитывалась по соотношению
рэ рт - 0,01С. (рт - Рв).
Результаты расчетов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Плотность ВТЭ при различной степени влагосодержания
Компонент ВТЭ Единица измерения Плотность ВТЭ при различных объёмных долях воды
Объемная доля воды 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Дизельное топливо Л кг/м3 860 874 888 902 916 930 944 958 972 986 1 000
Дизельное топливо Л кг/м3 860 874 888 902 916 930 944 958 972 986 1 000
Дизельное топливо З кг/м3 840 856 872 888 904 920 936 952 968 984 1 000
Дизельное топливо З кг/м3 840 856 872 888 904 920 936 952 968 984 1 000
Дизельное топливо А кг/м3 830 847 864 881 898 915 932 949 966 983 1 000
Дизельное топливо А кг/м3 830 847 864 881 898 915 932 949 966 983 1 000
Моторное топливо ДМ кг/м3 930 937 944 951 958 965 972 979 986 993 1 000
Моторное топливо ДМ кг/м3 970 973 976 979 982 985 988 991 994 997 1 000
Г азотурбинное топливо ТГ кг/м3 935 942 948 955 961 968 974 981 987 994 1 000
Мазут Ф-5 кг/м3 935 942 948 955 961 968 974 981 987 994 1 000
Мазут Ф-12 кг/м3 935 942 948 955 961 968 974 981 987 994 1 000
Кинематическая вязкость ВТЭ определялась по соотношениям, предлагаемым в [3]:
- кинематическая вязкость ВТЭ дизельного топлива:
V = ут(1 + 2,36С’2);
- кинематическая вязкость ВТЭ моторного топлива:
V = Ут(1 + 16,3С„М).
Результаты расчетов вязкости приведены в табл. 2.
Таблица 2
Вязкость ВТЭ при различной степени влагосодержания
Компонент ВТЭ Стандартная вязкость Единица измерения Вязкость ВТЭ при различных объёмных долях воды
Объемная доля воды 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Дизельное топливо Л 1,5 мм2/с 1,5 1,7 2,0 2,3 2,7 3,0 3,4
Дизельное топливо Л 6 мм2/с 6 6,9 8,1 9,3 10,7 12,2 13,7
Дизельное топливо З 1,8 мм2/с 1,8 2,1 2,4 2,8 3,2 3,6 4,1
Дизельное топливо З 5 мм2/с 5 5,7 6,7 7,8 8,9 10,1 11,4
Дизельное топливо А 1,5 мм2/с 1,5 1,7 2,0 2,3 2,7 3,0 3,4
Дизельное топливо А 5 мм2/с 5 5,7 6,7 7,8 8,9 10,1 11,4
Моторное топливо ДМ 5 0ВУ 5 8,2 13,6 20,1 27,6 35,9 44,9
Моторное топливо ДМ 20 0ВУ 20 33,0 54,2 80,4 110,4 143,5 179,5
Г азотурбинное топливо ТГ 3 0ВУ 3 4,9 8,1 12,1 16,6 21,5 26,9
Мазут Ф-5 5 0ВУ 5 8,2 13,6 20,1 27,6 35,9 44,9
Мазут Ф-12 12 0ВУ 12 19,8 32,5 48,3 66,2 86,1 107,7
При расчетах вязкости учитывались данные из [8], полученные В. Е. Антоновым, согласно которым при С„ < 60 % образуется обратная эмульсия. С ростом С„ вязкость увеличивается, при СМ1 ~ 65 % эмульсия переходит в гелеобразное состояние, и, естественно, вязкость становится максимальной. При дальнейшем увеличении присадки воды начинается обращение фаз: вязкость снижается и при С„ ~ 70 % эмульсия приобретает прямой вид. В этом состоянии вязкость мало зависит от С„. Вязкость эмульсии достаточно корректно аппроксимируется уравнением
а
V =---------.
э 0,65 - ^
Результаты определения ССА1 ВТЭ различных сортов топлива приведены в табл. 3.
Таблица 3
Зависимость ССАІ ВТЭ от объёмной доли воды
Объемная доля воды в ВТЭ С„ 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Топливо Вязкость, мм2/с Индекс ССАІ ВТЭ
Дизельное топливо Л 1,5 840 848 855 863 872 882 892
Дизельное топливо Л 2 828 836 844 853 862 872 882
Дизельное топливо Л 3 812 821 830 840 850 860 871
Дизельное топливо Л 4 802 812 822 831 842 852 863
Дизельное топливо Л 5 796 806 815 825 836 847 858
Дизельное топливо Л 6 790 801 811 821 832 843 854
Дизельное топливо З 1,8 812 822 832 843 854 865 878
Дизельное топливо З 3 808 818 828 839 850 862 874
Дизельное топливо З 3 792 803 814 826 838 850 863
Дизельное топливо З 3 782 794 806 817 830 842 855
Дизельное топливо З 3 776 788 799 811 824 837 850
Дизельное топливо А 1,5 810 821 831 842 854 867 880
Дизельное топливо А 2 798 809 820 832 844 857 870
Дизельное топливо А 3 782 794 806 819 832 845 859
Дизельное топливо А 4 772 785 798 810 824 837 851
Дизельное топливо А 5 766 779 791 804 818 832 846
Моторное топливо ДМ - 866 859 854 853 855 857 860
Моторное топливо ДМ - 872 866 862 859 858 857 858
Г азотурбинное топливо ТГ - 887 877 870 867 867 869 871
Мазут Ф-5 - 871 863 858 857 858 860 862
Мазут Ф-12 - 848 844 842 842 844 846 850
Согласно данным табл. 3, практически для всех сортов топлива, при определенном содержании воды, улучшается воспламеняемость ВТЭ. Максимум улучшения (минимум ССАІ) для каждого сорта топлива достигается различным содержанием воды в эмульсии. Например, ВТЭ газотурбинного топлива при 30-40 %-м содержании воды может достичь максимального приближения к удовлетворительной воспламеняемости.
Тенденцию к улучшению воспламеняемости моторных топлив и ухудшению воспламеняемости дизельного топлива с увеличением влагосодержания ВТЭ выявляют вычисленные значения ССАІ (рис. 2).
ССА1
Рис. 2. ССА1 ВТЭ: 1 - моторного топлива ДМ; 2 - моторного топлива ДТ; 3 - дизельного топлива
Отметим, что только при влагосодержании 25 % воспламеняемость моторного топлива ДМ становится удовлетворительной, самое лучшее значение отмечается при С„ = 40 %.
Выводы
Динамику тепловыделения, выходные эффективные, экономические и экологические показатели дизелей определяет самовоспламенение: легковоспламеняющиеся топлива обеспечивают мягкое протекание процесса сгорания; чрезмерная воспламеняемость приводит к увеличению части диффузионно сгорающего топлива, неполноте окислительных реакций со всеми вытекающими из этого негативными последствиями.
Оценка воспламеняемости только по цетановому числу становится необъективной (а в ряде случаев и просто неприемлемой) при включении в число сравниваемых энергоносителей топлив с большим различием их физических свойств. Вследствие этого, при учете воспламеняемости в программе электронного управления дизелем, вычисления ССА1 и легкость нахождения определяющих его показателей выгодно отличают данный критерий от цетанового числа.
Для дизелей с электронно-управляемым впрыском топлива система электронного управления дает возможность управления рабочим процессом путем изменения воспламеняемости топлива, например изменением влагосодержания ВТЭ и добавкой воды к топливу, что позволяет качественно регулировать отдельные периоды процесса сгорания.
С увеличением количества добавляемой воды возрастает период задержки самовоспламенения и уменьшаются значения рг и X; эмульгированное топливо улучшает процессы смесеобразования и горения, позволяя на 15-25 % форсировать двигатель при сохранении его экономичности и дымности, без заметного изменения динамических показателей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Носов В. П. Эффективный способ сжигания тяжёлого топлива в судовых среднеоборотных дизелях: дис. ... канд. техн. наук / В. П. Носов. Новосибирск, 1981. 174 с.
2. Свиридов Ю. Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях / Ю. Б. Свиридов. Л.: Машиностроение, 1972. 224 с.
3. Петров В. Н. Применение водотопливных эмульсий и некоторые вопросы экономики / В. Н. Петров. Л.: Изд-во Ленинград. кораблестр. ин-та, 1976. С. 83-87.
4. Аттия А. М. А. Влияние структуры водотопливной эмульсии на экологические и экономические показатели дизеля / А. М. А. Аттия, А. Р. Кульчицкий // Двигателестроение. 2012. № 3. С. 16-20.
5. Иванов В. М. Топливные эмульсии / В. М. Иванов. М.: АН СССР, 1962. 274 с.
6. Семенов В. С. Обобщённая зависимость задержки самовоспламенения в судовых дизелях по результатам экспериментальных исследований / В. С. Семенов, В. П. Матвеенко. Одесса: УУЗ ММФ, 1972, вып. 5. С. 40-45.
7. Мутаев А. А. Теория и практика горения водно-топливных эмульсий / А. А. Мутаев. М.: Восточный базар. 2005. № 81. С. 4-7.
8. Антонов В. Е. Повышение эксплуатационной экономичности судовых дизелей посредством их перевода на водотопливную эмульсию дизельного топлива: дис. ... канд. техн. наук / В. Е. Антонов. Новосибирск, 1996. 129 с.
REFERENCES
1. Nosov V. P. Effektivnyi sposob szhiganiia tiazhelogo topliva v sudovykh sredneoborotnykh dizeliakh. Dis. kand. tekhn. nauk [Effective way of combustion of heavy fuel in marine half-rotating diesels]. Novosibirsk, 1981.174 p.
2. Sviridov Iu. B. Smeseobrazovanie i sgoranie v dizeliakh [Mixture formation and combustion in diesels]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1972. 224 p.
3. Petrov V. N. Primenenie vodotoplivnykh emul'sii i nekotorye voprosy ekonomiki [Use of water-fuel emulsions and some problems of economy]. Leningrad, Izd-vo Leningradskogo korablestroitel'nogo instituta, 1976, pp. 83-87.
4. Attiia A. M. A., Kul'chitskii A. R. Vliianie struktury vodotoplivnoi emul'sii na ekologicheskie
i ekonomicheskie pokazateli dizelia [Influence of the composition of water-fuel emulsion on ecological and economical parameters of the diesel]. Dvigatelestroenie, 2012, no. 3, pp. 16-20.
5. Ivanov V. M. Toplivnye emul'sii [Fuel emulsions]. Moscow, AN SSSR, 1962. 274 p.
6. Cemenov V. S., Matveenko V. P. Obobshchennaia zavisimost' zaderzhki samovosplameneniia v sudovykh dizeliakh po rezul’tatam eksperimental'nykh issledovanii [General dependence of the delay of hypergolic ignition in marine diesels by the results of experimental studies]. Odessa, UUZ MMF, 1972, iss. 5, pp. 40-45.
7. Mutaev A. A. Teoriia i praktika goreniia vodno-toplivnykh emul’sii [Theory and practice of burning of water-fuel emulsions]. Moscow, Vostochnyi bazar, 2005, no. 81, pp. 4-7.
8. Antonov V. E. Povyshenie ekspluatatsionnoi ekonomichnosti sudovykh dizelei posredstvom ikh per-evoda na vodotoplivnuiu emul'siiu dizel'nogo topliva. Dis. kand. tekhn. nauk [Increase in operational economy of marine diesels by means of their transferring to water-fuel emulsion of diesel fuel]. Novosibirsk, 1996. 129 p.
Статья поступила в редакцию 18.02.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Дорохов Александр Фёдорович - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; [email protected].
Dorokhov Alexander Fedorovich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Marine Equipment"; [email protected].
Патров Фёдор Владимирович - Каспийский государственный университет технологий и инжиниринга им. Ш. Есенова, Актау, Республика Казахстан; зав. кафедрой «Морской и наземный транспорт»; [email protected].
Patrov Fedor Vladimirovich - Caspian State University of Technologies and Engineering named after Sh. Yesenov, Aktau, Republic of Kazakhstan; Head of the Department "Sea and Land Transportation"; [email protected].
Кабылбекова Виктория Васильевна - Каспийский государственный университет технологий и инжиниринга им. Ш. Есенова, Республика Казахстан; канд. техн. наук; доцент кафедры «Морской и наземный транспорт»; [email protected].
Kabylbekova Viktoriya Vasylievna - Caspian State University of Technologies and Engineering named after Sh. Yesenov, Aktau, Republic of Kazakhstan; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department "Sea and Land Transportation"; [email protected].
