«УМЕНЬШЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА СЕРИЙНОГО СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

На правах рукописи

Сеземин Алексей Валерьевич

УМЕНЬШЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА

СЕРИЙНОГО СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

ПУТЕМ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.04.02 – Тепловые двигатели Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., проф. Захаров Л.А.

Нижний Новгород – Содержание Введение

1. Проблемы уменьшения выбросов оксидов азота дизельными двигателями

1.1. Состав отработавших газов дизельных двигателей

1.2. Нормирование токсичности отработавших газов судовых дизельных двигателей и способы ее снижения

1.3. Уменьшение выбросов оксидов азота путем организации рабочих процессов

1.4. Повышение технического состояния дизельного двигателя путем организации рабочих процессов

1.5. Выводы по главе 1, постановка целей и задач исследования................ 2. Влияние организации рабочих процессов на выбросы оксидов азота дизельного двигателя повышенной оборотности

2.1. Механизм образования вредных и токсичных веществ в процессе сгорания топлива

2.2. Влияние угла опережения впрыска топлива на экологические и экономические показатели дизельного двигателя

2.3. Влияние угла наклона топливных струй на экономические показатели дизельного двигателя

2.4. Влияние показателей рабочих процессов на срок службы дизельного двигателя

2.5. Выводы по главе 2

3. Оптимизация рабочих процессов дизельного двигателя для уменьшения выбросов оксидов азота

3.1. Блок-схема оптимизации рабочих процессов дизельного двигателя... 3.2. Оптимизация рабочих процессов по углу опережения впрыска топлива и геометрической степени сжатия

3.3. Оценка качества организации рабочих процессов по распределению топлива в струе

3.4. Методика определения угла наклона топливных струй для улучшения экономических показателей

3.5. Методика прогнозирования срока службы дизельного двигателя....... 3.6. Выводы по главе 3

4. Моделирование и исследование рабочих процессов дизельного двигателя повышенной оборотности

4.1. Анализ показателей рабочих процессов базового двигателя................ 4.2. Результаты моделирования и исследования рабочих процессов по углу опережения впрыска топлива

4.3. Результаты моделирования и исследования рабочих процессов по углу наклона топливных струй

4.4. Прогнозирование срока службы дизельного двигателя с разработанными рабочими процессами

4.5. Результаты экспериментальных исследований рабочих процессов дизельного двигателя

4.6. Разработка инженерного решения по модернизации конструкции базового дизельного двигателя

4.7. Выводы по главе 4

Заключение

Список литературы

Приложение А. Результаты испытаний

Приложение Б. Справка о внедрении результатов исследований................ Введение Актуальность работы. При существующем уровне развития четырехтактных дизельных двигателей, характеризующимся удельным эффективным расходом топлива от 170 до 230 г/(кВтч) и средним эффективным давлением до 3 МПа при одноступенчатом газотурбинном наддуве, дизельные двигатели повышенной оборотности, как показывают теоретические и экспериментальные исследования, будут развиваться по пути дальнейшего улучшения энергетических, экономических и экологических показателей, а также повышения срока службы, снижение шума и вибрации [124].

Суммарная установленная мощность, находящихся в эксплуатации транспортных и стационарных двигателей, составляет примерно 1400 млн.

кВт, что в 5,5 раз превышает установленные мощности всех ТЭЦ. Двигатели потребляют более 80% жидкого нефтяного топлива, которого по официальным статистическим данным производится в России более 70 млн. т (около 27 млн. т бензинов и авиационного керосина, 48 млн. т дизельного и моторного топлива), а также 0,9 млн. т смазочного масла. В результате сжигания этого количества топлива в атмосферу выбрасывается более 10 млн. т вредных и токсичных веществ [85]. На двигатели судового, тепловозного и промышленного применения приходится около 11% глобальных выбросов. При этом загрязнение воздуха выбросами автомобилей доминирует в городах (по разным оценкам от 80 до 90%), в то время как вблизи портов, крупных железнодорожных узлов, в промышленных зонах подобный локальный уровень загрязнения создается выбросами двигателей судового, тепловозного и промышленного назначения [83].

В настоящее время вводятся более жесткие ограничения на выбросы оксидов азота (NOx) с отработавшими газами (ОГ), причем решение этой проблемы оказывается особенно трудным. На данный момент снижение выбросов NOx до соответствия требованиям международного стандарта для судовых дизельных двигателей IMO Tier II, удается достигнуть при увеличении удельного эффективного расхода топлива, но такой путь находится в противоречии с не менее актуальной проблемой борьбы за повышение топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания, острота которой постоянно возрастает в связи с приближающейся угрозой исчерпания жидких и газообразных топлив.

Сложность решения вопросов одновременного улучшения экологических показателей и повышения топливной экономичности заключается в многообразии факторов (конструктивных, регулировочных и эксплуатационных), которые влияют на процессы, происходящие внутри цилиндра двигателя, в частности, на процесс сгорания топлива, на динамические нагрузки и, как следствие, на срок службы дизельного двигателя, шум и вибрацию. Поэтому организация рабочих процессов заключает в себе существенные резервы улучшения экономических и экологических показателей дизельных двигателей.

Степень разработанности темы. На протяжении многих лет ведутся научные исследования, направленные на улучшение энергетических, экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания, повышение срока службы, снижение шума и вибрации. В научных трудах таких ученых, как Гриневецкий В.И., Мазинг Е.К. (основы расчета рабочих процессов), Галышев Ю.В., Горбунов Н.А., Грехов Л.В., Дьяченко Н.Х., Захаров Л.А., Звонов В.А., Иващенко Н.А., Кавтарадзе Р.З., Кулешов А.С., Луканин В.Л., Лышевский А.С., Марков В.А., Орлин А.С., Петриченко Р.М., Петриченко М.Р., Разлейцев Н.Ф., Фомин В.М., Шатров М.Г. и др., исследованы вопросы расчета и моделирования рабочих процессов, процессов газообмена, топливоподачи и смесеобразования, повышения топливной экономичности и снижения токсичности ОГ двигателей внутреннего сгорания.

Несмотря на большой объем выполненных теоретических и экспериментальных исследований, вопросы уменьшения выбросов NOx с ОГ серийными судовыми дизельными двигателями повышенной оборотности остаются весьма актуальными.

Целью работы является организация рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности для уменьшения выбросов оксидов азота с отработавшими газами в соответствии с требованиями IMO Tier II и увеличение срока службы.

Для достижения поставленной цели работы решались следующие задачи исследования:

1. Выполнить анализ существующих способов снижения выбросов NOx с ОГ и выбрать метод организации рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя для улучшения экологических показателей.

2. Провести аналитическое исследование рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности для уменьшения выбросов NOx с ОГ в соответствии с требованиями IMO Tier II при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.

3. Разработать методику определения угла наклона топливных струй при изменении угла опережения впрыска топлива.

4. Разработать методику прогнозирования срока службы серийного судового дизельного двигателя при изменении показателей рабочих процессов.

Объект исследований: серийный судовой дизельный двигатель повышенной оборотности 8ЧН 22/28 мощностью 1052 кВт при частоте вращения коленчатого вала 1000 мин-1 производства ОАО «РУМО».

Предмет исследования: процессы, протекающие в камере сгорания серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Аналитически выбран метод организации рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности, обеспечивающий требуемые экологические показатели по выбросам NOx с ОГ при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.

2. Разработана методика и получена математическая зависимость для определения угла наклона топливных струй серийного судового дизельного двигателя при изменении угла опережения впрыска топлива.

3. Разработана методика и получена математическая зависимость для прогнозирования срока службы серийного судового дизельного двигателя при изменении показателей рабочих процессов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Даны рекомендации по организации рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя 8ЧН 22/28 производства ОАО «РУМО»

для уменьшения выбросов NOx при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.

2. Организация предложенных рабочих процессов не требует внесения значительных конструктивных изменений и осуществляется путем изменения параметров топливной аппаратуры: угла опережения впрыска топлива и угла наклона топливных струй в объеме камеры сгорания.

3. Результаты исследований могут быть использованы в проектных работах дизелестроительных предприятий и в работе эксплуатирующих организаций по улучшению показателей существующих дизельных двигателей.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Рабочие процессы серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности, обеспечивающие требуемые экологические показатели по выбросам NOx с ОГ при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.

2. Методика определения угла наклона топливных струй при изменении угла опережения впрыска топлива.

3. Методика прогнозирования срока службы серийного судового дизельного двигателя при изменении показателей рабочих процессов.

Методы исследований:

1. Аналитический, основанный на известных математических зависимостях расчета и моделирования рабочих процессов.

2. Расчетно-теоретический, основанный на расчете методом конечных элементов (МКЭ) теплового состояния головки поршня.

3. Экспериментальный, основанный на разработанных методиках сравнительного исследования распространения факела по отпечатку в камере сгорания, следам отложения нагара и сажи на деталях цилиндропоршневой группы дизельного двигателя повышенной оборотности.

Достоверность полученных результатов подтверждена натурными исследованиями рабочих процессов, обеспечена применением апробированных методов исследования рабочих процессов, определения расхода топлива и выбросов оксидов азота с ОГ. Результаты систематизированы с применением математических методов обработки результатов. Полученные результаты согласуются с ранее проведенными экспериментальными исследованиями на испытательном стенде ОАО «РУМО».

Публикации по теме диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, из которых 3 – в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы.

Основное содержание работы

изложено на 145 страницах машинописного текста и включает 47 рисунков и 14 таблиц. Список библиографических источников включает 125 наименований.

1. Проблемы уменьшения выбросов оксидов азота В современном мире отчетливо просматривается тенденция к ужесточению национальных ограничений по загрязнениям с судов в морских и речных акваториях, к принятию мер, стимулирующих внедрение природоохранных технологий.

Это обусловлено ростом негативного влияния судов на акваторию и прилегающие береговые зоны. Если принять за 100% весь экологический ущерб, наносимый эксплуатацией транспортных судов, то ущерб от загрязнения морской среды и биосферы вредными и токсичными веществами составляет 40%, вибрации и шума оборудования и корпуса судна – 22%, коррозии оборудования и корпуса – 18%, ненадежностью двигателей – 15%, ухудшение здоровья экипажа – 5% (рис. 1.1) [12, 47].

Рис. 1.1. Экологический ущерб, наносимый эксплуатацией судов Экологическая обстановка в морских и речных акваториях во многом зависит от количества выбросов вредных и токсичных веществ судовых главных установок и вспомогательных дизель-генераторов [48].

Судовой двигатель, вырабатывая механическую энергию, осуществляет непрерывный тепломассообмен с атмосферой. Двигатель всасывает воздух и потребляет топливо, а затем выбрасывает отработавшие газы (ОГ), состоящие из части воздуха и продуктов сгорания топлива. Таким образом, воздух, поступающий в цилиндр двигателя, совершает определенный термодинамический цикл, претерпевая при этом химические изменения, в результате чего превращается в сложную газовую смесь с множеством компонентов.

Причина образования в ОГ вредных и токсичных веществ – процесс сгорания топлива. Характерной особенностью дизельных двигателей является периодическое горение предварительно неперемешанных топлива и воздуха. Указанное обстоятельство обуславливает наличие гомофазного и диффузионного типов горения: первый определяется сгоранием топливовоздушной смеси, образовавшейся за период задержки воспламенения, второй – сгоранием остального количества топлива в диффузионном фронте пламени.

1.1. Состав отработавших газов дизельных двигателей Состав выхлопных газов дизельных двигателей подобен составу отработавших газов других типов двигателей, использующих углеводородное топливо. Отработавшие газы – это гетерогенная смесь различных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателя в его выпускную систему. Всего в ОГ дизельных двигателей содержится около 250 компонентов, часть из которых нетоксична. Объемная концентрация токсичных компонентов в ОГ сравнительно невелика и составляет 0,2-2% [43, 59]. При этом примерно 80-95% от общей массы токсичных компонентов приходится на долю пяти из них: NOx, CO, CHx, альдегидов RCHO и диоксида серы SO (таблица 1.1) [72].

Таблица 1.1 – Усредненный состав ОГ отечественных дизельных двигателей Монооксид углерода CO 0,005-0,4 0,25-2,5 1,5-12, Основным токсичным компонентом ОГ дизельных двигателей вне зависимости от их типа, класса, размерности и конструктивных особенностей являются оксиды азота (NOx). Они образуются в камере сгорания (КС) дизельного двигателя путем окисления азота воздуха, а также азота из азотосодержащих молекул топлива. Но последний составляет не более 0,2% от массы топлива [73], поэтому обычно рассматривается лишь процесс окисления атмосферного азота.

Химически инертный в нормальных условиях азот при повышенных давлениях и температурах (выше 2000 К) в камере сгорания дизельного двигателя реагирует с кислородом воздуха с образованием преимущественно оксида NO. Окисляется азот за фронтом пламени в зоне образования продуктов сгорания. При этом наблюдается диссоциация молекул кислорода, азота, водорода и паров воды, продукты которой отличаются повышенной химической активностью, и происходят следующие химические реакции [42, 71]:

Первые две основные реакции идут по цепному механизму в соответствии с общепринятой теорией окисления азота воздуха, предложенной Я.Б. Зельдовичем, П.Я. Садовниковым и Д.А. Франк-Каменецким [44].

Поскольку большая часть этих реакций идет с поглощением теплоты, определяющее влияние на выбросы NO с ОГ оказывает температура сгорания. Причем наибольшая концентрация NO имеет место в локальных зонах камеры сгорания с высокими коэффициентами избытка воздуха и максимальными температурами сгорания (локальные температуры газов в КС дизельных двигателей достигают 2500 К, а в КС двигателей с принудительным зажиганием – 3000 К) [27, 98]. Наиболее интенсивно окисление азота происходит в первой фазе сгорания до момента достижения максимальной температуры сгорания – при углах поворота коленчатого вала (ПКВ) дизельного двигателя от = 360° до = 380° [42].

При температурах ниже 650-700 К оксид азота NO начинает окисляться до диоксида NO2 по следующей реакции [67]:

На большинстве эксплуатационных режимов форсированных дизельных двигателях температура ОГ, как правило, выше указанных значений, поэтому более 90% оксидов азота NOx их выхлопных газов приходится на долю NO. Доля NOx в суммарных токсичных выбросах составляет 30-80% по массе и 60-95% по эквивалентной токсичности [103]. Причем токсичность NO2 в раз выше токсичности NO [72].

Оксид азота NO – бесцветный газ, плохо растворимый в воде и достаточно быстро окисляющийся до NO2. Диоксид азота NO2 – газ красноватобурого цвета, который при больших концентрациях обладает удушливым запахом.

Оксиды азота представляют серьезную опасность для здоровья человека. Они воздействуют на слизистые оболочки глаз и носа, а также на нервную и сердечно-сосудистую системы человека, кроветворные органы и печень.

Оксиды азота, взаимодействуя с парами воды в воздухе, образуют азотистую HNO2 и азотную HNO3 кислоты, которые разрушают легочную ткань, вызывая хронические заболевания. Небольшие концентрации оксидов азота в атмосфере приводят к постепенному отравлению организма, причем какихлибо нейтрализующих средств нет. При концентрациях в воздухе более 0,0013% оксиды азота действуют как острый раздражитель слизистых оболочек, а при концентрациях 0,004-0,008% – могут вызвать отек легких [67].

Наибольшую опасность оксиды азота представляют в качестве активного компонента смога. Соединяясь с несгоревшими олефиновыми углеводородами, они образуют токсичные нитроолефины, вызывающие заболевания дыхательных путей и нервные расстройства. Причем токсикологический эффект воздействия NOx на человека примерно в десять раз выше, чем у монооксида углерода СО [35, 72].

Оксиды азота оказывают негативное влияние на растения и сельскохозяйственные культуры. При низких концентрациях NO2 в атмосфере отмечается снижение темпа роста растений, а при концентрациях 0,0002-0,0003% и более – их серьезные повреждения [72]. Причем наиболее чувствительны к загрязнениям атмосферы оксидами азота злаки, бобовые, свекла.

Монооксид углерода CO является промежуточным продуктом химической реакции углеродсодержащего топлива с кислородом воздуха. В условиях камеры сгорания дизельного двигателя углеводороды, кислород, пары воды распадаются с образованием углеводородных радикалов типа CH3, углерода, атомарных кислорода и водорода, групп ОН и СНО, в результате рекомбинаций которых образуется CO, например по реакции [35, 71]:

В дополнение к приведенным реакциям имеет место диссоциация диоксида углерода, описываемая формулой:

При последующем сгорании на такте расширения или в выпускной системе дизельного двигателя монооксид углерода окисляется до диоксида по следующим основным реакциям, протекающим только в присутствии водяного пара или водорода:

Основная причина образования CO в камере сгорания дизельного двигателя – неравномерное распределение топлива в зоне горения, что приводит к возникновению отдельных участков с низким коэффициентом избытка воздуха, где наблюдается недогорание части топлива. В этих локальных зонах объемная концентрация CO может достигать 5-6%. Другим источником образования CO являются высокотемпературные зоны топливного факела, в которых химическое равновесие смещено в сторону диссоциации диоксида углерода CO2 с образованием CO и O2 по приведенной выше реакции [72].

Монооксид углерода – бесцветный газ, не имеющий запаха и обладающий токсическим действием на организм человека. Поглощаемость CO кровью в 240 раз выше поглощаемости кислорода. Поэтому CO вытесняет кислород из оксигемоглобина крови, образуя карбоксигемоглобин. Это приводит к падению способности крови переносить достаточное количество кислорода из легких к тканям. Из-за пониженного содержания кислорода в крови наступает удушье. При регулярном воздействии CO на человека отмечаются изменения в составе крови. Даже при незначительной концентрации CO в воздухе (до 0,01 %) длительное воздействие монооксида углерода вызывает головную боль и приводит к снижению работоспособности. Более высокая концентрация CO (0,02-0,033%) приводит к развитию атеросклероза, возникновению инфаркта миокарда и развитию хронических легочных заболеваний.

Причем особенно вредно воздействие CO на людей, страдающих коронарной недостаточностью. При концентрации CO около 1% наступает потеря сознания уже через несколько вздохов. Монооксид углерода оказывает негативное влияние и на нервную систему человека, вызывая обмороки, а также изменения цветовой и световой чувствительности глаз. Симптомы отравления CO – головная боль, сердцебиение, затрудненное дыхание и тошнота. Следует отметить, что при сравнительно небольших концентрациях монооксида углерода в атмосфере (до 0,002%) CO, связанный с гемоглобином, постепенно выделяется и кровь человека очищается от него на 50% каждые 3-4 ч [101].

Образующийся при окислении монооксида углерода углекислый газ (диоксид) CO2 не оказывает токсического действия на организм человека. Он хорошо поглощается растениями с выделением кислорода. Но при наличии в атмосфере земли значительного количества углекислого газа, поглощающего солнечные лучи, создается парниковый эффект, приводящий к так называемому «тепловому загрязнению» [68, 88]. Вследствие этого явления повышается температура воздуха в нижних слоях атмосферы, происходит потепление (особенно в крупных городах), наблюдаются различные климатические аномалии. Кроме того, повышение содержания в атмосфере CO2 способствует образованию «озоновых» дыр. При снижении концентрации озона в атмосфере земли повышается отрицательное воздействие жесткого ультрафиолетового излучения на организм человека [20].

Легкие газообразные углеводороды CHx (метан, этан, пропан, этилен, ацетилен и др.) образуются при термическом распаде топлива в зонах срыва пламени, в ядре и в переднем фронте факела, на топливной пленке на стенках камеры сгорания и в результате вторичного впрыскивания топлива (подвпрыскивания). Механизм образования CHx зависит от конструкции дизельного двигателя и режимов его работы. Одна из основных причин образования CHx – наличие холодных пристеночных слоев в камере сгорания дизельного двигателя.

В процессе сгорания топлива пламя распространяется к стенке, от которой отводится теплота, и радикалы, образовавшиеся при горении, рекомбинируются на холодных стенках. В частности метильный радикал CH3, взаимодействуя с гидроксильной группой ОН, образует метан СН4 по реакции:

Таким образом, в пристеночных холодных слоях цилиндров толщиной 0,005-0,3 мм из радикалов не до конца сгоревшего топлива образуются легкие углеводороды [72]. Другой причиной образования СНx, является наличие в камере сгорания зон с низким коэффициентом избытка воздуха, в которых происходит расщепление высокомолекулярных углеводородов топлива и образуются углеводороды с меньшим числом атомов углерода в молекуле. В основном это зоны ядра факела и зоны срыва пламени. Имеет место и эмиссия углеводородов в составе топливных испарений.

Среди низкомолекулярных CHx наибольшей токсичностью отличаются углеводороды олефинового ряда (этилен С2Н4, пропилен С3Н6, бутилен С4Н8), имеющие неприятный запах и вызывающие раздражение слизистых оболочек, многочисленные хронические заболевания сосудистой и нервной систем, поражение внутренних органов. Токсичность их возрастает при наличии в воздухе других компонентов ОГ, которые под действием солнечной радиации образуют фотохимические оксиданты смога (например, нитроолефины).

Менее токсичны парафины (метан СН4, этан С2Н4, пропан С3Н8, бутан С4Н10).

Токсикологическое действие газообразных низкомолекулярных углеводородов CHx выражается также в наркотическом действии на организм человека, вызывая состояние эйфории.

Отмечается негативное действие олефиновых и парафиновых углеводородов на сельскохозяйственные растения и животных. В частности, при большой концентрации CHx в атмосфере повреждается растительный покров пастбищ, наблюдается пожелтение листьев.

Один из наиболее значимых токсичных компонентов ОГ дизельных двигателей – твердые частицы (ТЧ). Основными составляющими ТЧ являются сажа, оксиды металлов, сульфаты и вода, а также в меньших объемах – несгоревшие частицы топлива и моторного масла [60, 61]. Сажа, в свою очередь, состоит в основном из углерода C (до 95-98%) и химически связанного водорода Н (1-3%) [71]. Причем на начальных стадиях сгорания частицы сажи состоят почти из чистого углерода, а затем насыщаются большим количеством углеводородов и их соединений.

Механизм образования сажи представляет собой последовательность процессов термического разложения углеводородных топлив, образования активных углеводородных частиц в пламени, роста ядер сажи, агломерации частиц и окисления сажи. Таким образом, содержание сажи в ОГ является результатом протекания двух определяющих процессов – образования и окисления сажи.

При сильном нагревании (выше 1300-1800 К) в зонах камеры сгорания с недостатком кислорода наблюдается разложение углеводородов топлива с образованием сажи. Минимально допустимым с точки зрения дымности ОГ дизельных двигателей является значение коэффициента избытка воздуха 1,3, которое называют пределом дымления. Диапазон, в котором происходит наиболее интенсивное образование сажи, составляет 0,33-0,7 [35, 71].

При таких значениях происходит реакция разложения (пиролиза) молекул углеводородного топлива по обшей формуле:

Так, разложение метана может происходить по реакции:

Возможны и другие реакции разложения метана, например:

Образующийся при этом ацетилен С2Н2 в условиях повышенной температуры в камере сгорания дизельного двигателя также может разлагаться на углерод и водород:

Кроме коэффициента избытка воздуха на сажеобразование оказывает влияние температура рабочего тела в камере сгорания. Ускоренное образование сажи отмечается при температурах рабочего тела в КС выше 2050 К, а ее максимальная концентрация – при температуре около 2200 К [125]. При более высоких температурах скорость окисления сажи начинает превышать скорость ее образования и количество сажи в ОГ уменьшается. При температурах более 2400 К концентрация сажи в КС незначительна. Другими факторами, оказывающими влияние на образование сажи, являются особенности процесса смесеобразования, род применяемого топлива и время сгорания.

Окисление сажи в камере сгорания дизельного двигателя проходит по следующим основным реакциям [61]:

При этом значительная часть сажи выгорает в камере сгорания на такте расширения и в выпускной системе дизельного двигателя.

Первичные сажевые частицы имеют диаметр около 0,02-0,17 мкм, в ОГ дизельных двигателей сажа находится в виде образований неправильной формы, большая часть которых имеют размер до 0,5 мкм [35]. При среднем арифметическом значении диаметра около 0,3 мкм сажевые частицы имеют очень развитую поверхность, равную около 90 м2 на 1 г сажи.

Наличие сажи в ОГ приводит к появлению неприятного ощущения загрязненности воздуха и ухудшению видимости. При вдыхании сажи все частицы оказывают вредное воздействие на дыхательные органы человека. Они достигают альвеол легких или откладываются в носовых пазухах, трахеях или бронхах. Причем крупные частицы сажи (2-10 мкм и более) легко выводятся из организма, а мелкие (0,5-2 мкм) – задерживаются в легких, вызывая хронические заболевания. Но основные токсические свойства сажи обусловлены не углеродом, а присутствием на ней канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), в том числе наиболее токсичного среди них – бенз(а)пирена С20Н12, являющегося индикатором присутствия в ОГ других ПАУ [99].

Образование оксидов серы SOx в камере сгорания дизельного двигателя обусловлено содержанием в топливе серы и ее соединений (элементарной серы S, сероводорода H2S, меркаптанов RSH и др.). При высокой температуре и избытке кислорода они сгорают с образованием оксидов серы SO2 и SO3.

Вначале образуется диоксид серы по реакции [61]:

который в условиях КС дизельного двигателя легко окисляется до триоксида SO3. Кроме оксидов при сгорании серы образуются сульфаты – серосодержащие соли, являющиеся одним из основных компонентов твердых частиц.

Диоксид серы SO2 – бесцветный газ с острым запахом, действует раздражающе на слизистые оболочки и кроветворные органы (костный мозг и селезенку), вызывает нарушения в обмене углеводов и отравления. Хроническое отравление малыми дозами SО2 проявляется в виде головных болей, бессонницы, раздражения слизистых оболочек, а в некоторых случаях – хронического бронхита и конъюнктивита. При малых концентрациях в воздухе (до 0,001%) диоксид серы является раздражителем дыхательных путей, а при содержании 0,01% и выше — приводит к смертельному отравлению за одну минуту [20, 67].

Смесь SO2 и CO при длительном воздействии вызывает нарушение генетической функции человека. Вредное влияние диоксида серы примерно в шесть раз сильнее, чем монооксида углерода.

Триоксид серы SO3 – в нормальных условиях представляет собой бесцветную жидкость, а в КС дизельного двигателя – присутствует в газообразной фазе. Оксиды серы, реагируя с парами воды воздуха, образуют кислоты – сернистую H2SO3 и серную H2SO4. Образование указанных кислот ускоряется оксидами азота и углеводородами, содержащимися в ОГ. Эти кислоты способствуют возникновению смога и кислотных дождей, разрушающе действующих на легочную ткань и вызывающих бронхиальные заболевания.

К сернистым газам относится и сероводород H2S – бесцветный газ с запахом тухлых яиц. При концентрациях выше 0,008 мг/м3 раздражает слизистые оболочки и оказывает токсическое действие на человека [20].

Наличие сернистых газов в атмосфере оказывает неблагоприятное воздействие и на сельскохозяйственные культуры, разрушая хлорофилл и препятствуя фотосинтезу растений. Растения (особенно хвойные) очень чувствительны к содержанию SО2 в воздухе: концентрации диоксида серы 0,08мг/м3 в летнее время и 0,2 мг/м3 зимой приводят к постепенному усыханию большинства растений [67].

Большое содержание в малоподвижной и влажной атмосфере NО2, CHx и других веществ, выбрасываемых в окружающую среду, приводит к возникновению тумана коричневатого цвета, получившего название «смог» и являющегося смесью жидких и газообразных компонентов ОГ [20]. Смог содержит высокоактивные недоокисленные вещества (оксиданты), вызывающие раздражение глаз, слизистых оболочек носа и дыхательных путей, приводит к хроническим заболеваниям. Содержащиеся в атмосфере компоненты смога (NOx, SOx, Cl и др.) взаимодействуют с парами воды с образованием кислот, которые могут выпадать в виде кислотных осадков и попадают в почву, а оттуда – в сельхозпродукцию.

Проведенный анализ показывает, что некоторые компоненты отработавших газов дизельных двигателей обладают сильными токсикологическими свойствами и могут вызывать тяжелые заболевания человека. Эти обстоятельства приводят к необходимости вводить ограничения на их выбросы с ОГ. При этом стоит отметить, что наиболее опасными из них являются выбросы оксидов азота и оксидов серы. Содержание оксидов серы в отработавших газах дизельного двигателя зависит только от содержания серы в топливе, поэтому для снижения выбросов SOx необходимо использовать малосернистое топливо.

1.2. Нормирование токсичности отработавших газов судовых дизельных двигателей и способы ее снижения Международным стандартом, ограничивающим токсичные выбросы судовых дизельных двигателей, является Приложение VI к конвенции MARPOL 73/78 Международной Морской Организацией (IMO). Дымность и выбросы твердых частиц данным документом не регламентированы [75]. Динамика изменения выбросов NOx судовыми дизельными двигателями на ближайшую перспективу представлена в таблице 1.2 и рис. 1.2 [79, 123].

Таблица 1.2 – Предельные значения выбросов NOx по IMO Период действия Tier I Tier II (01.01.2011-01.01.2016) Tier III (в зонах ECA после 01.01.2016) Рис. 1.2. Предельные значения выбросов NOx по IMO Для морских судов, заложенных после 1 января 2011 г., требования IMO Tier II по выбросам NOx стали обязательными для флотов всего мира [81]. Требования IMO Tier III для судов, заложенных после 1 января 2016 г., предусматривают дифференциацию в зависимости от района плавания. Для плавания в открытом море требования IMO Tier II остаются в силе и после 2016 г., тогда как в зонах регулируемых выбросов (ECA – emission control areas) обязательным станут требования IMO Tier III. При этом стоит отметить, что в зоне Балтийского моря введение требований IMO Tier III было отложено на пять лет и перенесено на 01 января 2021 [84].

Кроме оксидов азота, требованиями IMO ограничиваются также выбросы оксидов серы. При этом следует отметить, что на выбросы SOx (в отличие от NOx) процесс сгорания сам по себе никак не влияет [123]. Вся сера, попавшая с топливом в камеру сгорания, уходит в атмосферу в виде SOx. На содержание серы в топливе производитель двигателя повлиять не в состоянии. Это значит, что уменьшить выбросы SOx возможно за счет использования малосернистого топлива или очистки ОГ [79, 91, 123].

В настоящее время разработанные способы снижения токсичных выбросов с ОГ подразделяются на первичные и вторичные мероприятия. Первичные мероприятия связанны с организацией процессов смесеобразования и сгорания, совершенствованием систем турбонаддува и впрыска топлива, а так же использованием альтернативных топлив, таких как природный газ. К вторичным мероприятиям относятся: рециркуляция отработавших газов, увлажнение рабочей смеси, каталитическая очистки ОГ и др. Эффективность различных способов снижения выбросов NOx показана на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Эффективность различных способов снижения выбросов NOx 1 – Организация рабочих процессов; 2 – Применение природного газа;

3 – Рециркуляция ОГ; 4 – Использование водотопливной эмульсии;

5 – Увлажнение наддувочного воздуха; 6 – Каталитическая очистка ОГ Эффективность первичных мероприятий Исследования фирмы Wartsila (Финляндия) [87] показывают, что первым шагом к снижению выбросов NOx является применение первичных мероприятий, внедрение которых позволяет уменьшить выбросы NOx до требований IMO Tier II. Эти мероприятия включают в себя применение более высокой геометрической степени сжатия, «позднего» момента впрыска топлива одновременно с изменением конструкции распылителя и адаптируемых фаз газораспределения. Они также могут быть использованы в различных комбинациях в соответствии с необходимым уровнем достижения выбросов NOx для конкретного двигателя.

Фирма AVL List GmbH (Австрия) провела аналогичные исследования [115], в результате которых получены следующие способы снижения токсичности ОГ дизельного двигателя:

• оптимизация формы камеры сгорания и конструкции распылителя;

• повышение геометрической степени сжатия;

• ступенчатая подача топлива (в том числе пилотный впрыск) и оптимизация закона впрыска топлива – система Common Rail;

• цикл Миллера с повышенным содержанием остаточных газов в составе рабочей смеси;

• внешняя рециркуляция отработавших газов с их охлаждением.

Результаты исследований показали, что первичными мероприятиями можно добиться снижения выбросов NOx с ОГ до требований IMO Tier II.

Практические результаты исследований фирмы AVL приведены ниже.

Цикл Миллера (с ранним закрытием впускного клапана) обеспечивает снижение выбросов NOx путем уменьшения наполнения цилиндра и снижения температуры газов в цилиндре двигателя. В этом же направлении действует увеличение теплоемкости газов, достигаемое увеличением содержания остаточных газов. Это дает снижение содержания NOx в отработавших газах на 15…25%. Недостаток цикла Миллера, проявляющийся в увеличении содержания сажи, может быть устранен либо путем усложнения алгоритма работы форсунок с системой аккумуляторной подачи топлива Common Rail, либо применением системы регулирования фаз газораспределения.

Применение ступенчатой подачи топлива, такой как пилотный впрыск, обеспечивает существенное снижение содержание сажи в ОГ при сохранении выбросов NOx и удельного эффективного расхода топлива, что объясняется более глубоким окислением сажи за счет повышения температуры в последней фазе процесса сгорания [75, 115].

Эффективным мероприятием снижения выбросов NOx является приближение угла опережения впрыска топлива к верхней мертвой точке (ВМТ), что ведет к увеличению удельного эффективного расхода топлива [96]. Увеличение геометрической степени сжатия до 15…17, вместо имеющейся в среднеоборотных и повышенной оборотности двигателях 13…14, позволяет снизить удельный эффективный расход топлива на 5 г/(кВтч) при количественном сохранении выбросов NOx в отработавших газах [75, 111, 115].

Дальнейшее снижение выбросов NOx возможно путем применения двухступенчатого наддува [78], что по данным заводских испытаний фирмы MAN Diesel & Turbo (Германия) позволяет сократить выбросы до 40% [123].

Кроме того, для повышения энергетических и экономических показателей на частичных нагрузках возможно применение регулирования углов открытия впускных и выпускных отверстий. Фирма MAN Diesel & Turbo уже начала серийный выпуск дизельных двигателей с такой системой [123].

Отечественные и зарубежные исследования [18, 66, 86, 123] показывают, что применение природного газа в качестве топлива в дизельных двигателях позволяет выполнить требования IMO Tier III по выбросам NOx и SOx.

Природный газ практически не содержит серы, а выбросы NOx при работе на бедных смесях оказываются существенно ниже, чем в дизельном двигателе.

При этом необходимо учитывать, что для хранения газового топлива нужно примерно в 2,5-3 раза больше места, чем для дизельного топлива [79].

Эффективность вторичных мероприятий Рециркуляция ОГ (EGR – Exhaust Gas Recirculation) Идея рециркуляции ОГ (рис. 1.4) заключается в уменьшении концентрации кислорода в наддувочном воздухе с целью снижения температуры сгорания. Как показали заводские испытания фирмы MAN Diesel [123], данный метод в сочетании с циклом Миллера, двухступенчатым наддувом и топливной системой типа Common Rail позволяет обеспечить снижение выбросов NOx на 80%, т.е. до требований IMO Tier III.

Рис. 1.4. Система подачи воздуха и рециркуляции ОГ Преимуществом метода EGR является отсутствие зависимости внешних реагентов, таких, как мочевина или вода. Его определенный недостаток – необходимость использования малосернистого топлива или даже дистиллята во избежание коррозии деталей двигателя. Метод EGR следует выбирать в качестве средства для выполнения требований IMO Tier III по токсичности ОГ только после проведения всестороннего экономического анализа, если такой анализ покажет преимущества данного метода перед каталитической очисткой ОГ.

Увлажнение рабочей смеси Известны [76, 79] несколько способов снижения выбросов NOx путем добавления воды в камеру сгорания, в том числе:

• использование водотопливной эмульсии (ВТЭ);

• увлажнение наддувочного воздуха (HAM – Humid Air Motor) Идея обоих способов состоит в использовании водяного пара для уменьшения максимальной температуры сгорания, что приводит к снижению выбросов NOx. Прямой впрыск воды в камеру сгорания связан с нежелательными побочными эффектами, такими, как плохая гомогенизация заряда, увеличение расхода топлива, кавитация и коррозия.

Идея использования ВТЭ состоит в смешивании жидкого топлива с водой перед впрыском. Результаты испытаний фирмы MAN Diesel&Turbo [123] показывают, что данный способ может обеспечить снижение выбросов NOx на 30% (рис. 1.5). При содержании воды в эмульсии более 30% расход топлива увеличивается на столько, что применение ВТЭ становится экономически нецелесообразным.

Рис. 1.5. Влияние ВТЭ на выбросы NOx и расход топлива Концепция увлажнения наддувочного воздуха основана на насыщении нуддувочного воздуха водой (рис. 1.6). Результаты эксплуатационных испытаний двигателей фирмы MAN показывают, что выбросы NOx могут быть снижены на 65% [123]. Ее идея состоит в подогреве впрыскиваемой воды для повышения степени насыщения. В отличие от ВТЭ система HAM может работать на морской воде. Главный недостаток этого метода заключается в том, что он приводит к росту давления наддувочного воздуха, что, в свою очередь, с учетом ограничения температуры заряда, не позволяет достичь оптимальной степени насыщения. Реализация этого метода связана со значительными вложениями. Кроме того, для размещения модуля HAM требуется дополнительное место на станции или в машинном отделении.

Рис. 1.6. Сокращение выбросов NOx при использовании Увлажнение рабочей смеси само по себе не в состоянии обеспечить выполнение требований IMO Tier III, поэтому его можно использовать только в качестве вспомогательного средства снижения токсичности ОГ [79].

Селективное каталитическое восстановление Селективное каталитическое восстановление (SCR) на сегодняшний день является самым надежным и проверенным средством, позволяющим снизить выбросы NOx на величину до 90%, т.е. до норм IMO Tier III [79].

В основе процесса селективного каталитического восстановления лежит использование катализатора для преобразования содержащихся в ОГ оксидов азота в азот и воду с помощью NH3. При этом следует помнить о том, что NH3 является вредным веществом, требующем крайне осторожного обращения во избежание серьезного ущерба для здоровья людей и окружающей среды. Поэтому инженеры обратились к использованию мочевины в качестве источника NH3. Мочевина безвредна, а транспортировка и использование ее водного раствора не требует особых мер предосторожности. В настоящее время растворы мочевины с концентрацией 32,5 или 40% успешно используются в системах SCR сухопутных и морских транспортных средств.

Каталитическая реакция протекает в два этапа. На первом этапе мочевина, попадая в поток горячих газов, реагирует с водой, содержащейся в растворе мочевины и в отработавших газах, разлагаясь при этом на аммиак и двуокись углерода:

Собственно процесс восстановления NOx протекает при участии катализатора, где с помощью аммиака оксиды азота преобразуются в азот и воду:

Превышение подачи мочевины над стехиометрической нормой вызывает утечку аммиака за пределы системы. Такая утечка экологически опасна и недопустима, поэтому необходимо строго дозировано подавать мочевину.

Для того чтобы поддерживать эффективность восстановления NOx на максимальном уровне, не допуская в тоже время утечки аммиака, требуется замкнутая система регулирования, работающая от датчиков концентрации NOx. К сожалению, необходимое для этого измерительное оборудование весьма чувствительно к внешним воздействиям, поэтому его применение требует тщательного и достаточно трудоемкого технического обслуживания. Альтернативой замкнутой системе является разомкнутая система параметрического регулирования, эффективность которой зависит от точности определения характеристик двигателя.

Почти все существующие системы SCR для самых различных установок основаны на описанных выше реакциях. В отличие от высокооборотных автотракторных, локомотивных или др. двигателей, работающих на дистиллятных топливах, применение SCR в среднеоборотных и повышенной оборотности двигателях, работающих на тяжелых топливах, связано с проблемой противодавления на выпуске.

Применение селективного каталитического восстановления отработавших газов связано с применением специального катализатора, который в зависимости от размерности двигателя и его цилиндрового исполнения может иметь значительные габаритные размеры (рис. 1.7) [110].

Рис. 1.7. Дизельный двигатель, оснащенный катализатором ОГ Рис. 1.7 наглядно демонстрирует значительные размеры катализатора относительно размеров самого двигателя. Дизельный двигатель 20V32/44CR, оснащенный катализатором отработавших газов, был представлен фирмой MAN Diesel на торговой выставке SMM’2010 в Гамбурге.

В соответствии с рассмотренными мероприятиями по уменьшению выбросов NOx можно сделать вывод, что путем организации рабочих процессов можно снизить выбросы токсичных веществ с ОГ до требований IMO Tier II.

Кроме того, снижение выбросов NOx может быть реализовано для уже существующего двигателя без существенных изменений его конструкции, что является оптимальным решением доработки находящихся в эксплуатации двигателей. При этом можно добиться того, чтобы с уменьшением выбросов NOx, экономичность двигателя осталась в интервале допустимых значений, установленных по техническим условиям на поставку двигателя.

Образование вредных и токсичных выбросов с отработавшими газами и удельный эффективный расход топлива определяются характером протекания рабочих процессов и связаны со следующими процессами, протекающими в цилиндре двигателя (рис. 1.8) [25].

Для уменьшения образования NOx необходимо сокращение периода задержки воспламенения, одним из путей реализации чего является применение раздельного впрыска, и уменьшение угла опережения впрыска топлива.

При этом происходит уменьшение скорости тепловыделения и скорости нарастания давления, уменьшение максимальных давления и температур цикла.

В результате этого увеличивается удельный эффективный расход топлива, при этом уменьшение скорости нарастания давления приводит к уменьшению динамических нагрузок на детали двигателя, способствующих снижению шума и вибрации, и к увеличению срока службы двигателя [25].

Рис. 1.8. Направления улучшения экологических показателей дизельного двигателя путем организации рабочих процессов Уменьшение дымности отработавших газов связано с повышением давления впрыска и улучшением распыливания. При этом повышение давления впрыска приводит к уменьшению удельного эффективного расхода топлива, но к увеличению содержания оксидов азота в ОГ. Улучшение распыливания приводит к увеличению максимальной температуры цикла и, следовательно, к увеличению содержания оксидов азота в отработавших газах.

Уменьшение содержания оксидов углерода в отработавших газах связано с увеличением коэффициента избытка воздуха, что приводит к уменьшению удельного эффективного расхода топлива, и улучшением однородности распыливания, что улучшает процесс горения топлива и повышает максимальную температуру цикла, но приводит к увеличению образования оксидов азота в отработавших газах.

Двухфазная подача топлива как способ снижения содержания NOx в отработавших газах относится к числу важных направлений организации рабочих процессов дизельного двигателя и осуществляется введением части топлива вместе с воздухом на такте всасывания и основной порции топлива на такте сжатия вблизи ВМТ. Впрыск топлива в цилиндр двигателя при этом производится через штатную форсунку с многодырчатым распылителем, а во впускной трубопровод – через форсунку со штифтовым распылителем [7].

Раздельный впрыск топлива позволяет снизить максимальную температуру цикла при сохранении максимального давления сгорания и произвести форсирование двигателя по среднему эффективному давлению. В то же время, форсирование двигателя по среднему эффективному давлению при сохранении номинального удельного эффективного расхода топлива, как показали исследования, проведенные в Волгоградском политехническом институте, позволяет при раздельном впрыске топлива снизить скорость нарастания давления до 45%, максимальное давление сгорания до 10% при незначительном до 10% повышении максимальной температуры цикла. Форсирование в данном случае возможно увеличением геометрической степени сжатия двигателя. При этом с повышением геометрической степени сжатия возрастает средняя температура газов в процессе подвода теплоты [25], что ведет к улучшению экономических показателей рабочих процессов дизельного двигателя. Результаты проведенных исследований представлены на рис. 1.9.

Рис. 1.9 Изменение показателей рабочих процессов двигателя 1Ч 12/16- при работе с двухфазной подачей топлива и форсировании по pe :

Где: GTT – количество топлива, подаваемого во впускной трубопровод;

– угла опережения впрыска основной порции топлива в цилиндр;

рфт – величина давления впрыска.

Анализ рис. 1.9 показывает, что:

• наиболее оптимальным с точки зрения уменьшения максимального давления сгорания, скорости нарастания давления («жесткости» рабочих процессов) и увеличения максимальной температуры цикла является режим, при котором угол опережения впрыска топлива приближен к положению поршня в ВМТ;

• с увеличением количества топлива, подаваемого во впускной трубопровод, удельный эффективный расход топлива возрастает, «жесткость» рабочих процессов уменьшается в связи с уменьшением максимального давления сгорания, но температура газа в цилиндре двигателя возрастает. Соответственно уменьшается и коэффициент избытка воздуха.

При всех преимуществах двухфазной подачи топлива приходится опасаться горения топлива во впускном коллекторе, связанного с попаданием горячих газов в топливовоздушную смесь в результате неплотностей во впускных отверстиях двигателя.

Таким образом, с целью уменьшения выбросов NOx с ОГ до требований IMO Tier II при сохранении энергетических и экономических показателей и повышения срока службы двигателя можно рекомендовать следующие мероприятия по организации рабочих процессов:

• уменьшение угла опережения впрыска топлива с целью снижения максимальной температуры цикла и скорости нарастания давления;

• исключение чрезмерной гомогенизации топливовоздушной смеси путем распределения топливных струй в пространстве камеры сгорания в соответствии с тепловыми полями на поверхностях камеры сгорания;

• организовать распределение топливных струй таким образом, чтобы место контакта топливных струй с поверхностями камеры сгорания не располагались в зонах с плохими условиями испарения топлива.

1.4. Повышение технического состояния дизельных двигателей Проблема повышения технического состояния дизельных двигателей находится в тесной связи с экономическими проблемами их производства и эксплуатации. С понятием техническое состояние тесно связано понятие срок службы. Снижение срока службы, например, в результате износа приводит к ухудшению экономических и экологических показателей двигателя, и как следствие к увеличению токсичности ОГ [23].

Проведение ремонтов судовых дизельных двигателей, особенно в условиях машинного отделения судна, очень трудоемкий и дорогостоящий процесс. К тому же сроки проведения ремонтных работ не всегда совпадают со сроками коммерческой гарантии и зависят от условий эксплуатации двигателей и их технического состояния. Поэтому вопрос об увеличении срока службы дизельного двигателя, является неотъемлемой частью при выполнении норм по выбросам NOx.

В судовом двигателестроении обычно устанавливаются следующие регламентированные виды сроков службы [8]:

а) срок службы до первой переборки, т.е. до первой необходимости произвести вскрытие цилиндропоршневой группы (ЦПГ) для осмотра или промывки поршневых колец (возможна и смена колец), либо для притирки клапанов;

б) срок службы до капитального ремонта, при котором осуществляется полная разборка двигателя с перешлифовкой коренных и шатунных шеек коленчатого вала и заменой его подшипников. При этом выполняются работы, обеспечивающие восстановление первоначальных технико-эксплуатационных и экологических показателей двигателя. В отдельных случаях по судовым двигателям регламентируется также срок службы до замены цилиндровых втулок.

Эти характеристики являются, как правило, вероятностными характеристиками и служат мерой оценки технического состояния двигателя.

Под сроком службы следует понимать свойство двигателя работать без поломок, недопустимых износов, потери мощности и т.д. в пределах оговоренного межремонтного срока службы при соблюдении всех требований руководства по эксплуатации. Срок службы определяется степенью отработанности конструкции и технологией изготовления, а также стабильностью качества применяемых материалов [50].

К причинам снижения срока службы двигателя и возникновению отказов и повреждений могут быть отнесены тепловые и механические нагрузки, которые вызывают усталость и старение материалов, остаточные деформации, коррозия и изнашивание поверхностей трения деталей [11, 49].

Усталость материала приводит к прогрессирующему разрушению в результате многократного воздействия переменных тепловых и механических нагрузок, в частности от переменных давлений газа при совершении рабочих процессов в двигателе. Из деталей двигателя наиболее часто усталостным разрушениям подвергаются детали ЦПГ (коленчатые валы и их подшипники, шатуны) и механизма газораспределения (кулачки распределительного вала, клапаны и их пружины). Усталостному разрушению обычно предшествует образование усталостных трещин, появление которых трудно установить в эксплуатационных условиях. Характерной особенностью усталостного разрушения является наличие на изломе признаков взаимного относительного перемещения разрушенных частей детали в месте начальной трещины.

Старение металлических сплавов обычно приводит к увеличению прочности и твердости при одновременном уменьшении пластичности и ударной вязкости. При этом, как правило, перераспределяются внутренние напряжения.

Остаточные деформации, являющиеся также одной из причин нарушения работоспособности, возникают при больших давлениях на поверхности детали или при воздействии нагрузок, вызывающих напряжения, превышающих предел упругости материала. В первом случае появляется смятие поверхностей, а во втором – скручивание, изгиб или растяжение.

Изнашивание поверхностей также является одной из причин нарушения работоспособности двигателей, которое вызывает 50-75% всех отказов.

Изнашивание наиболее интенсивно происходит в условиях нарушения смазки поверхностей трущихся пар и больших переменных по времени усилий, действующих на трущиеся поверхности [34].

Таким образом, срок службы двигателя в части возникновения отказов и повышенных износов в большей степени определяется в основном уровнем возникающих усилий в деталях двигателя.

Кроме силовых показателей рабочих процессов на срок службы двигателя влияет и уровень температур и тепловых напряжений в деталях двигателя. Например, при нормальных температурах, предусмотренных техническими условиями эксплуатации двигателя, в течение более длительного времени сохраняются смазывающие свойства масла. Это в свою очередь снижает изнашивание трущихся поверхностей.

Одним из направлений повышения технического состояния дизельных двигателей является уменьшение динамических нагрузок, связанных со скоростью нарастания давления в цилиндре двигателя и максимальным давлением сгорания [14, 34].

Повышенная динамическая нагруженность двигателя проявляется в «жесткости» его работы, поэтому снижение «жесткости» рабочих процессов является одним из направлений повышения технического состояния дизельного двигателя.

Кроме того, повышенная динамическая нагруженность двигателя, или «жесткость» рабочих процессов, сопровождается повышением шума и вибрации работающего двигателя, которые также являются нежелательными экологическими последствиями.

Возникающий при «жесткой» работе двигателя шум оказывает вредное влияние на остроту слуха человека, а длительное воздействие сильного шума может привести к патологическим изменениям органов слуха. Кроме того, шум угнетающе действует на нервную систему человека, притупляет бдительность при работе и ускоряет утомляемость. В результате этого снижается производительность труда и увеличивается количество производственных травм [100].

Уровень шума дизельных двигателей на номинальной мощности находится в пределах 100-110 дБА для тихоходных двигателей и 110-130 дБА для быстроходных дизельных двигателей [5].

Шум дизельных двигателей, одинаковый по общему уровню, но имеющий максимальную величину уровня на различных частотах, воспринимается человеческим ухом по-разному. Шум быстроходных дизельных двигателей, имеющих максимальный уровень при более высоких частотах, переносится хуже [5].

С уменьшением частоты вращения коленчатого вала и нагрузки дизельного двигателя уровень шума резко снижается. По требованию Морского Регистра РФ уровень шума в машинных отделениях, замеренный на расстоянии 1 м, не должен превышать 100 дБА. Большинство современных среднеоборотных и повышенной оборотности двигателей не отвечают этому требованию – уровень шума их значительно выше [5].

Не менее вредное воздействие оказывает вибрация – вынужденные колебания окружающих предметов, передающиеся от работы недостаточно уравновешенных механизмов или от работы дизельных двигателей, турбин и других энергетических установок [69]. Вибрация энергетической установки является вредным и опасным явлением, приводящим к нарушению нормального режима работы приборов, аппаратов и других машин и механизмов. От воздействия вибрации нарушаются плотность в соединениях, контакт в электропроводке вплоть до разрушения отдельных устройств и трубопроводов.

Вибрация способствует возникновению и ускорению коррозии, как правило, в самых отдаленных и труднодоступных местах. Кроме того, она является источником или создателем шума, в сочетании с которым особенно отрицательно действует на организм человека. От длительного действия повышенной вибрации у человека может возникнуть вибрационная болезнь – головная боль, боли в суставах и мускулатуре. Вибрация также вредно воздействует на зрение человека, повышает его раздражительность, нарушает нормальный сон [51].

При наличии большого количества мероприятий по снижению шума и вибрации, включающих применение шумопоглощающих перегородок и амортизирующих элементов, не всегда удается снизить уровень шума и вибрации. Поэтому снижение шума и вибрации дизельного двигателя путем организации рабочих процессов представляется очень перспективным направлением.

1.5. Выводы по главе 1, постановка цели и задач исследования Наиболее опасными компонентами отработавших газов дизельных двигателей являются выбросы NOx и SOx. Уменьшить выбросы SOx возможно только путем использования малосернистого топлива или очисткой ОГ, в то время как снижение выбросов NOx возможно путем организации рабочих процессов.

Среди существующих направлений снижения выбросов оксидов азота с ОГ дизельных двигателей выделяют:

• первичные мероприятия, направленные на организацию рабочих процессов и позволяющие обеспечить экономические и экологические показатели, соответствующие международным стандартам;

• вторичные, направленные на снижение выбросов NOx с ОГ с помощью внешних устройств, которые требуют дополнительных капиталовложений и увеличивают удельный эффективный расход топлива.

Опыт мирового двигателестроения показывает, что для создания дизельного двигателя удовлетворяющего требованиям IMO Tier II по выбросам NOx необходимо, прежде всего, организовать рабочие процессы с рациональными значениями удельного эффективного расхода топлива и выбросами токсичных компонентов с ОГ. После реализации первичных мероприятий, дальнейшее улучшение экологических показателей до требований IMO Tier III следует вести по пути применения вторичных мероприятий.

Организация рабочих процессов, направленная на уменьшение выбросов NOx с ОГ согласуется с уменьшением «жесткости» рабочих процессов и снижением динамических нагрузок, что позволяет увеличить срок службы дизельного двигателя.

Уменьшение «жесткости» рабочих процессов позволяет снизить шум и вибрацию дизельного двигателя, и улучшить экологические показатели.

Целью работы является организация рабочих процессов серийного судового дизельного повышенной оборотности двигателя для уменьшения выбросов оксидов азота с отработавшими газами в соответствии с требованиями IMO Tier II и увеличение срока службы.

Для достижения поставленной цели работы сформулированы следующие задачи исследования:

1. Выполнить анализ существующих способов снижения выбросов NOx с ОГ и выбрать метод организации рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя для улучшения экологических показателей.

2. Провести аналитическое исследование рабочих процессов серийного судового дизельного двигателя повышенной оборотности для уменьшения выбросов NOx с ОГ в соответствии с требованиями IMO Tier II при сохранении энергетических и экономических показателей на уровне базового двигателя.

3. Разработать методику определения угла наклона топливных струй при изменении угла опережения впрыска топлива.

4. Разработать методику прогнозирования срока службы серийного судового дизельного двигателя при изменении показателей рабочих процессов.

2. Влияние организации рабочих процессов на образование оксидов азота дизельного двигателя повышенной оборотности В XXI веке в связи с ужесточением нормативов на выбросы вредных и токсичных веществ двигателями внутреннего сгорания наметились устойчивые тенденции на такую организацию рабочих процессов, которые обеспечивают экологические показатели по оксидам азота, углерода и твердых частиц.

Такая организация рабочих процессов связана в первую очередь с организацией процесса горения топлива, поэтому особенностям организации процесса сгорания топлива отводится главная роль. Таким образом, безусловными приоритетами современного двигателестроения являются вопросы экологии, а такие важнейшие показатели как удельный эффективный расход топлива и удельная мощность, традиционно стоящие во главе, отступают в настоящее время на второй план [77, 95, 113, 114, 116].

К основным факторам, влияющим на снижение вредных и токсичных веществ в отработавших газах дизельных двигателей, относят следующие параметры, влияющие на организацию процесса сгорания топлива [53, 122]:

• геометрическая форма камеры сгорания;

• геометрическая степень сжатия;

• диаметр сопел распылителя;

• угол наклона топливных струй;

• момент впрыска топлива.

В тоже время, увеличение геометрической степени сжатия может привести к увеличению динамической нагруженности двигателя и «жесткости»

рабочих процессов, что отрицательно скажется на его сроке службы до капитального ремонта.

Поэтому, решая задачи улучшения экологических показателей дизельного двигателя, с сохранением энергетических и экономических показателей, необходимо учитывать срок службы двигателя до капитального ремонта.

2.1. Механизм образования вредных и токсичных веществ Закономерности цепных реакций образования NOx, CO и сажи были разработаны проф. Разлейцевым Н.Ф. [92].

Согласно исследованиям Разлейцева, при выгорании распыленного жидкого топлива в дизельных двигателях создаются высокие локальные концентрации активных центров цепных реакций – атомов и свободных радикалов, возникающих в результате деструктивных превращений, окисления и распада углеводородов в окрестностях испаряющихся и горящих капель. В этих условиях образование токсичных веществ в дизельных двигателях, таких как NOx, CO и сажа, имеет две основные особенности [53]:

Решающую роль в процессе сгорания играет не тепловое, а цепное ускорение реакций за счет высоких локальных концентраций активных частиц.

Процессы их образования тесно связаны конкуренцией в потреблении активных частиц и кислорода. Образование NOx происходит через сложные превращения продуктов реакций топливных радикалов с азотом воздуха в предпламенный и послепламенной зонах. Скорость этих процессов зависит от концентрации азота в объеме цилиндра, скорости сгорания, доли выгоревшего топлива, а также скорости конкурирующих реакций образования продуктов неполного сгорания, в том числе CO и сажевых частиц.

Уравнение реакции сгорания можно представить в следующем виде [4]:

Причем сумма O2 + 4N2 представляет смесь, состав которой приближенно соответствует составу атмосферного воздуха.

Но эти уравнения показывают не механизм реакции, а лишь ее конечный результат, и то при определенных условиях. При очень высоких температурах происходит частичная диссоциации продуктов сгорания, вследствие чего образуются определенные количества CO2 и H2O. При низких температурах реакции не идут совсем или протекают не до конца. При составах смеси, не соответствующих составу, приведенному в уравнениях, можно получить результат, отличный от показанного выше, особенно при избытке топлива.

Эти реакции не могут произойти мгновенно. Вначале молекулы реагируют с молекулами или частями молекул, так называемыми радикалами, имеющими одну или более свободные валентности, при чем и те и другие должны к тому же обладать необходимой энергией [4]. Энергия молекул, которую здесь необходимо принимать во внимание, это их кинетическая энергия, включающая в себя энергию поступательного, колебательного и вращательного движений.

Рассматривая уравнение первой реакции 2Н2О + O2, можно сказать, что в этой реакции принимают участие радикалы ОН и атомы O и Н, кроме того, также участвует и азот N2. При столкновении частиц, атомов и радикалов могут происходить различные реакции, каждую из которых можно представить, как это сделано ниже, с учетом теплоты реакции, отнесенной к одному молю [4]:

Из приведенных реакций интересна вторая и четвертая реакции. Вторая реакция соединения радикала водорода с кислородом приводит к образованию двух радикалов ОН и O, но требует большой энергии активации, поэтому получившаяся энергия реакции показана со знаком «минус».

Четвертая реакция не сопровождается энергетическими изменениями вследствие присутствия некой случайной молекулы М, поглотившей излишнюю энергию. Этой молекулой в составе воздуха является азот N2. Азот в составе воздуха обладает химической стабильностью, и в определенном интервале температур практически не образуются атомы азота. В тоже время в продуктах сгорания всегда в небольших количествах имеются оксиды азота.

Для образования свободных радикалов азота N требуется высокая температура, поэтому до некоторого момента, когда температура сгорания остается достаточно низкой, образование радикалов азота, способных вступать в химические реакции в процессе сгорания топлива, не происходит. С повышением температуры начинают образовываться свободные радикалы азота, которые, вступая в реакцию с кислородом воздуха, образуют оксиды азота в виде NO2 и NO, которые и принято обозначать в виде NOx [42].

Четвертая реакция в этом случае показывает обрыв цепи выделения энергии, т.е. обрыв цепной реакции. Однако, несмотря на обрывы цепи реакции, имеется множество реакций между молекулами и радикалами, которые проходят непрерывно и даже с ускорением. Это происходит из-за тепловыделения, которое приводит к росту температуры и, как следствие, увеличению числа активных частиц.

В топливовоздушной смеси образование активных частиц происходит в основном из кислорода O2 и горючих газов, таких как СО и H2; молекулы углеводородов также могут находиться в активном состоянии или давать радикалы в результате разрыва внутренних связей в процессе колебаний.

При большом процентном содержании азота N2 в горючей смеси число обрывов цепей велико. Но реакции, идущие в двигателе, сопровождаются значительным увеличением температуры смеси, количества очагов воспламенения и числа активных частиц. Действительная скорость реакции всегда на один или более порядков меньше теоретически возможной из-за обрывов цепей при наличии инертного компонента воздуха [4].

В отношении протекания реакций горения необходимо рассматривать и само распространение факела в объеме камеры сгорания.

В многозонной модели [54, 55, 120] для расчета процесса сгорания в дизельном двигателе принято рассматривать 7 характерных зон струи топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания дизельного двигателя (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Расчетная схема струи топлива в камере сгорания 1 – разреженная оболочка; 2 – уплотненное осевое ядро;

3 – уплотненный передний фронт; 4 – разреженная оболочка ПП;

5 – уплотненное ядро ПП; 6 – уплотненный передний фронт ПП;

Каждая зона имеет свои условия испарения и горения, и эти условия одинаковы во всей зоне. Это связано с тем, что в процессе движения струи топливо находится в зонах с различными условиями испарения и горения, включая пристеночные зоны на стенке камеры сгорания, на гребне поршня, на зеркале и крышке цилиндра.

До соприкосновения топливной струи со стенкой камеры сгорания двигателя, рассматривается только три характерных зоны: 1 – разреженная оболочка; 2 – уплотненное осевое ядро; 3 – уплотненный передний фронт.

На основном участке развития свободной струи каждая элементарная порция впрыскиваемого топлива в уплотненном осевом ядре струи (2) вплоть до ее вершины, где эта порция оттесняется на периферию струи, резко тормозится до полной потери начальной скорости и заполняет разреженную оболочку струи (1). При этом часть массы элементарной порции топлива успевает рассеяться в разреженную оболочку струи еще по пути движения к уплотненному переднему фронту (3).

При соприкосновении топливной струи со стенкой камеры сгорания двигателя топливо, попавшее в уплотненный передний фронт (3), постепенно переходит в пристеночную зону с образованием пристеночного потока (ПП).

Негомогенный по структуре, плотности и температуре ПП, образующийся после соударения топливной струи со стенкой камеры сгорания, разделяется на характерные зоны с приблизительно одинаковыми условиями тепло- и массообмена внутри каждой зоны по аналогии со свободной струей:

4 – разреженная оболочка ПП; 5 – уплотненное ядро ПП на поверхности поршня; 6 – уплотненный передний фронт ПП; 7 – осевое коническое ядро ПП.

Осевое коническое ядро ПП (7) формируется в период укладки уплотненного переднего фронта струи (3) на стенку камеры сгорания в границах пятна, образованного пересечением конуса струи с поверхностью стенки. В дальнейшем состав этого ядра непрерывно уплотняется за счет новых элементарных порций топлива, подлетающих к стенке [56].

После быстрой укладки уплотненного переднего фронта (3) на стенку камеры сгорания топливо начинает растекаться за пределы начального пятна.

При этом образуются уплотненное ядро ПП (5) на поверхности поршня и разреженная оболочка ПП (4) над пристеночным слоем, куда переходит часть топлива, заторможенного в уплотненном переднем фронте ПП (6).

При растекании топлива по стенке камеры сгорания двигателя, распространяющийся во все стороны пристеночный поток, который еще дополнительно деформируется вихрем, может пересечь какую-либо характерную границу, разделяющую зоны с различными условиями испарения и горения топлива, например, границу между боковой наклонной и торцевой горизонтальной поверхностями короны поршня, или границу между короной поршня и зеркалом цилиндра. Возможно смыкание ПП соседних топливных струй.

Форма пристеночного пятна и скорость его растекания в различных направлениях зависят от угла встречи струи со стенкой.

При подлете струи к наклонной стенке наблюдается небольшое отклонение вершины струи от оси распыливающего отверстия в сторону тупого угла встречи со стенкой. Это обуславливается образованием перед струей уплотненного воздушного потока, который первым вступает во взаимодействие со стенкой и вызывает предварительный поворот вершины струи. Налетев на стенку, струя растекается вверх и вниз по ее поверхности. Направленный вверх по стенке поток быстро попадает в узкий надпоршневой зазор, и в стесненных условиях растекается как по гребню поршня, так и по крышке цилиндра. Продвижение топлива вдоль стенки замедляется по сравнению со свободным развитием струи из-за трения потока о стенку, рассеивания кинетической энергии струи с отраженными от стенки каплями [54, 121].

В период топливоподачи и развития топливных струй скорость сгорания лимитируется главным образом скоростью испарения топлива и количеством очагов воспламенения. В свободно развивающейся топливной струе зонами интенсивного теплообмена и испарения распыленного топлива являются передний фронт и оболочка струи. В высокоскоростном и плотном осевом потоке прогрев и скорость испарение капель топлива незначительны.

При моделировании рабочих процессов скорость испарения можно характеризовать одной из двух величин: константа испарения или относительная константа испарения. Причем скорость испарения топлива, поступившего в каждую из названных зон интенсивного теплообмена, равна сумме скоростей испарения отдельных капель. Испарение каждой капли до и после воспламенения топлива подчиняется закону Срезневского Б.И. [92]:

d 0 – начальный диаметр капли, м;

где d k – текущий диаметр капли, м;

K – константа испарения, м2/с;

u – время от начала испарения данной капли до текущего момента, с.

Среднее отношение константы испарения к квадрату их диаметра называется относительной константой испарения и может быть вычислено по формуле:

Относительная константа испарения топлива в каждой из характерных зон интенсивного теплообмена мало изменяется на протяжении впрыска топлива [92]. Поэтому можно принять относительную константу испарения постоянной для каждой зоны, но различающейся по зонам. В связи с этим при моделировании рабочих процессов дизельных двигателей обычно применяется относительная константа испарения.

При набегании струи на стенку скорость испарения топлива, скопившегося в переднем фронте, резко снижается до минимума в момент укладки фронта на стенку. Это вызвано более низкой по сравнению с газовым зарядом температурой стенки, уменьшением обдува капель, уплотнением капельно-газовой смеси на стенке, слиянием и перемешиванием авангардных капель с подлетающими к стенке более холодными каплями. После укладки фронта на стенку двухфазная смесь начинает растекаться по стенке за пределы конуса струи. Скорость испарения топлива в пристеночной зоне увеличивается, хотя и остается меньшей, чем в объеме камеры. При растекании по гребню поршня часть топлива может проникнуть в надпоршневой зазор, попасть на крышку и стенки цилиндра [54].

По окончании периода задержки воспламенения происходит взрывное распространение пламени по активированной смеси в оболочке струи. Первый максимум скорости тепловыделения зависит в основном от доли цикловой порции топлива, испарившегося за период задержки воспламенения, степени активации паров, скорости испарения топлива и количества очагов воспламенения в период вспышки, т.е. от массы впрыснутого топлива, качества его распыливания и макрораспределения, времени испарения, физикохимических, термо- и газодинамических характеристик горючей смеси.

Концентрация топлива в ядре топливной струи влияет на процесс образования сажи, связанный с процессом окисления топлива внутри ядра в условиях отсутствия кислорода (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Области образования сажи в ядре топливной струи Сажа в топливном факеле образуется в результате пиролиза топлива – его разложения под действием высокой температуры в среде с недостатком кислорода. Интенсивное образование сажи происходит в ядре топливного факела вблизи распылителя форсунки при впрыске последних порций топлива [118].

Осаждение сажи и нагара на поверхностях камеры сгорания сопровождается следующими отрицательными моментами [10].

Во-первых, несгоревшая в цилиндре сажа и нагар представляют собой, так называемый, механический недожог топлива и входят составной частью в понятие неполноты сгорания.

Во-вторых, как показывают многочисленные опыты, основная масса сажи и нагара выгорает несвоевременно на линии расширения, от чего выделяющаяся теплота используется малоэффективно, с низким индикаторным КПД [74].

В-третьих, в результате интенсивного выделения сажи значительно возрастают потери энергии в виде лучистой теплоты. Лучистая теплота образуется в результате внутриатомных процессов и сводится к преобразованию тепловой энергии сажи в лучистую энергию – свечение.

При этом, некоторая доля теплоты, выделившаяся от сгорания сажи, отводится конвективным путем – переносом теплоты, обусловленным перемещением сгорающих материальных частиц сажи под влиянием изменения плотностей среды или газовых потоков внутри цилиндра.

Таким образом, участие сажи в рабочих процессах оказывает отрицательное влияние на индикаторный КПД, неполноту и несвоевременное сгорание топлива, радиационный (лучистый) и конвективный теплообмен.

Выгорание сажевых частиц, образующихся при горении топлива в камере сгорания дизельных двигателей, приводит к существенным потерям теплоты, поскольку сажа не участвует в увеличении теплосодержания рабочих газов, и теплота тратится в основном на нагрев поверхностей деталей камеры сгорания [90]. Кроме этого, продукты сгорания сажи (углекислый газ и оксид углерода) имеют температуру, значительно более высокую, чем средняя температура рабочих газов, вследствие чего может возрасти и температура выпускных газов.

Образование сажи способствует повышению дымности отработавших газов дизельных двигателей, что также относится к нежелательным экологическим последствиям работы двигателя [102].

В результате исследований [2, 89] были получены данные, позволившие выявить основные факторы, определяющие содержание NOx в продуктах сгорания предварительно неперемешанных топлива и воздуха:

• увеличение доли топлива, сгорающего в диффузионном режиме, при постоянстве общего количества периодически подаваемого топлива, обуславливает увеличение поверхности фронта диффузионного горения, а также концентрации сажи и, до определенного момента, NOx;

• увеличение количества сгорающего топлива при его непрерывной подаче приводит к увеличению поверхности фронта диффузионного горения, а также концентрации сажи и, до определенного момента, NOx в продуктах сгорания;

• с момента резкого роста содержания сажи в продуктах сгорания начинается процесс уменьшения концентрации NOx в продуктах сгорания независимо от способа подачи топлива;

• выход NOx пропорционален величине поверхности фронта диффузионного горения до момента интенсификации процесса сажеобразования, при котором влияние поверхности компенсируется снижением температуры горения;

• подвижность реакции образования NOx при диффузионном горении высокая, что позволяет в расчетах учитывать только реакцию разложения, считая скорость реакции образования NOx бесконечно большой.

Таким образом, увеличение в отработавших газах дизельного двигателя концентрации как NOx, так и сажи связано с увеличением площади поверхности диффузионного горения, определяемой увеличением цикловой подачи топлива (что можно косвенно оценить по коэффициенту избытка воздуха), а также сокращением периода задержки воспламенения. Период задержки воспламенения представляет собой подготовительную фазу к процессу сгорания в цилиндре двигателя с воспламенением от сжатия и зависит от функции впрыска топлива, температуры начала впрыска, условий смешивания паров топлива с воздухом и качества топлива. Параметры впрыска, в свою очередь, определяются давлением впрыска топлива, степенью дробления топлива, длиной струи и скоростью полета топливной струи.

В общей длительности периода задержки воспламенения могут быть выделены две составляющие:

физическая составляющая, зависящая в основном от параметров впрыска и условий смешивания топлива с воздухом;

химическая составляющая, определяемая свойствами топлива.

2.2. Влияние угла опережения впрыска топлива на экологические и экономические показатели дизельного двигателя Угол опережения впрыска топлива оказывает большое влияние на продолжительность задержки воспламенения топлива в камере сгорания и на все показатели рабочих процессов дизельного двигателя. При больших углах опережения впрыска, топливо начинает поступать в камеру, когда давление и температура заряда в ней относительно невелики, поэтому период задержки воспламенения увеличивается, и большая порция топлива подается в камеру сгорания до прихода поршня в ВМТ [25, 32].

После точки 1 (рис. 2.3), в которой начинается впрыск топлива, линия давлений сначала пойдет ниже линии сжатия без впрыска топлива, а затем в точке 2 пересечет линию сжатия и быстро начнет подниматься. Отставание линии давления вначале впрыска объясняется затратой теплоты на прогрев и испарение капель впрыснутого топлива. Следовательно, можно отметить существование скрытого периода окислительных процессов между точками 1 и 2, когда сгорание как бы отсутствует или запаздывает по сравнению с подачей топлива. Этот период называют период задержки воспламенения i, °ПКВ [25].

Рис. 2.3. Графики давлений и температур рабочих процессов Угол опережения впрыска топлива оказывает огромное влияние на процесс сгорания. При слишком большом значении 3 (рис. 2.4) процесс сгорание начинается слишком рано, создается большое противодавление ходу поршня к ВМТ (линия 3), скорость нарастания и максимальное давление оказываются чрезмерно большими, двигатель перегружается силами давления газа и перегревается, а его энергетические и экономические показатели не достигают оптимальных значений. Слишком малый угол 1 приводит к запаздыванию развития процесса сгорания, энергетические и экономические показатели дизельного двигателя также не достигают оптимальных значений.

При значении 2 получается приемлемая скорость нарастания давления и максимальное давление сгорания, наилучшие энергетические и экономические показатели рабочих процессов [3, 25].

Рис. 2.4. График изменения максимального давления сгорания в зависимости от угла опережения впрыска топлива 1 – =10°ПКВ до ВМТ; 2 – =15°ПКВ до ВМТ; 3 – =20°ПКВ до ВМТ Заниженное значение угла опережения впрыска приводит к тому, что значительная часть цикловой подачи топлива поступает в камеру сгорания после ВМТ, поэтому процесс сгорания происходит, в основном, на ходе расширения. В результате этого уменьшаются среднее эффективное давление и эффективный коэффициент полезного действия, падают максимальное давление сгорания и мощность двигателя, растет удельный эффективный расход топлива, хотя период задержки сокращается.

Для наилучшего протекания рабочих процессов угол опережения впрыска топлива должен иметь оптимальное значение, зависящее от способа смесеобразования, режимных условий работы двигателя, конструктивных параметров камеры сгорания и др. Оптимальное значение угла определяется вычислительным экспериментом или снятием регулировочных характеристик двигателя [3, 25, 32].

Для оценки совершенства процесса впрыска топлива в пространство камеры сгорания дизельного двигателя удобно использовать фактор динамичности цикла, предлагаемый профессором Толстовым А.И. и показывающий отношение количества топлива, поданного за период задержки воспламенения, к цикловой подаче [104].

С увеличением фактора динамичности цикла растет скорость нарастания давления в цилиндре дизельного двигателя и возрастает «жесткость» рабочих процессов. При слишком малой величине фактора динамичности цикла скорость нарастания давления в цилиндре дизельного двигателя будет медленной, а продолжительность большой, что приведет к увеличению удельного эффективного расхода топлива.

Регулируя угол опережения впрыска топлива можно воздействовать на вид индикаторной диаграммы и на положение максимума давления с тем, чтобы установить рациональное значение момента впрыска топлива для получения наилучших энергетических и экономических показателей дизельного двигателя.

Снижение выбросов оксидов азота с отработавшими газами и дымности ОГ достигается также кроме улучшения распыливания топлива и оптимизации процессов смесеобразования и сгорания, путем уменьшения угла опережения впрыска топлива [6].

Решающее значение для снижения выбросов оксидов азота с ОГ и повышения срока службы дизельного двигателя имеет сокращение периода задержки воспламенения топлива, поскольку при этом уменьшается скорость нарастания давления и максимальное давление сгорания, скорость тепловыделения в начале сгорания и, следовательно, максимальная температура цикла [58]. Снижение длительности периода задержки воспламенения топлива наблюдается при раздельном впрыске, и его можно рассматривать как один из способов уменьшения выбросов оксидов азота и снижения дымности [25].

2.3. Влияние угла наклона топливных струй на экономические показатели дизельного двигателя При распространении топливного факела в пространстве камеры сгорания необходимо учитывать распределение топлива по характерным зонам топливной струи, среди которых выделяются следующие:

• ядро струи;

• распыленное топливо разреженной оболочки;

• ядро пристеночного слоя с пересекающимися соседними струями (зоны пересечения пристеночных потоков) и частицы топлива, попадающие в надпоршневой зазор, поршень, крышку цилиндра и втулку цилиндра.

Условия испарения топлива в этих зонах сильно отличаются друг от друга. Наилучшие условия испарения топлива располагаются в разреженной оболочке струи и оболочке пристеночного потока. Несколько хуже условия испарения в ядре пристеночного слоя. И совсем плохие условия испарения находятся в зонах на зеркале цилиндра и на поверхности крышки цилиндра.

В соответствии с этим по-разному происходят и реакции горения топлива.

Топливо, попавшее на поршень, может иметь хорошие или плохие условия испарения в зависимости от температуры той зоны головки поршня, куда попадает топливо [58].

При разработке дизельных двигателей смесеобразованию отводится решающая роль в процессе сгорания. Считается, что для достижения наиболее экономичной, бесшумной и бездымного выхлопа работы дизельных двигателей необходимы достаточно мелкое распыливание топлива и равномерное его распределение в камере сгорания. Однако исследования, проведенные в этом направлении, показали, что достижение быстрого смешения топлива с воздухом и равномерного распределения топливовоздушной смеси в камере сгорания, наоборот, приводят к резкому усилению «стука» в двигателе, плохому использованию воздуха и появлению на всех режимах интенсивного дымления на выхлопе [80].

Поэтому не всегда имеет смысл добиваться получения равномерного распределения топливовоздушной смеси в камере сгорания дизельного двигателя. Важнее оказывается оптимальное сочетание распределенного топлива по зонам топливной струи, включая часть топлива, осаждающегося на стенках камеры сгорания. Такое распределение топлива было предусмотрено у Мойрера, внедрившего свой рабочий процесс на двигателях фирмы MAN [4].

Основная особенность этого способа осуществления процесса сгорания заключается в том, что топливо впрыскивается специальной двухдырчатой форсункой, которая небольшую часть топлива (5%) распыливает в нагретый воздух, а большую часть топлива впрыскивает на стенку полусферической камеры сгорания, выполненной в поршне (рис. 2.5, а).

Рис. 2.5 Схема «М-процесса», осуществляемая а) Распыливание топлива в полусферической камере;

б) Вихревое сгорание и охлаждение поршня маслом Топливо распределяется по поверхности камеры сгорания в виде жидкой пленки толщиной примерно 12 мкм. Днище камеры сгорания интенсивно охлаждается маслом (рис. 2.5, б), так что температура стенки, на которую впрыскивается топливо, не превышает 340°С. Часть топлива (5%), распыленная в нагретый воздух, воспламеняется и служит поджигающим факелом для остальной части топлива, испаряющейся со стенки камеры сгорания [80].

Описанный способ сгорания получил название «М-процесса». Первоначально фирмой MAN, а затем другими были построены двигатели, работающие по «М-процессу». Оказалось, что эти двигатели высокоэкономичные, работают бесшумно («шепчущий» двигатель) и с малой дымностью выхлопа.

Особым, очень важным в практическом отношении преимуществом этого двигателя является «всеядность»: он одинаково хорошо работает на дизельном топливе и на бензинах [15].

Эти особенности процесса сгорания топлива в дизельном двигателе, работающем по «М-процессу», являются следствием резкого уменьшения доли топлива, сгорающей в результате роста очагов воспламенения от сжатия окислителя.

Исходя из общих соображений, выше отмечалась целесообразность снижения количества топлива, поступающего в камеру сгорания к моменту воспламенения. Однако при обычном осуществлении процесса сгорания в дизельном двигателе сокращается время для сжигания основной массы топлива, что приводит к значительному недожогу топлива [80].

В «М-процессе» небольшая часть топлива впрыскивается одновременно с основной массой топлива, что не уменьшает необходимое время для сгорания основной массы топлива.

Тонкая пленка топлива на поверхности камеры сгорания подвергается интенсивному жидкофазному окислению [16]. Благоприятные условия для жидкофазного окисления создаются, во-первых, из-за меньшей испаряемости пленки топлива по сравнению с испаряемостью распыленного топлива, вовторых, металлическая стенка камеры сгорания оказывает каталитическое влияние, ускоряя процесс окисления.

В этих условиях даже топлива, различные по своей молекулярной структуре, достаточно интенсивно окисляются.

Окисленная топливная пленка постепенно испаряется. Образовавшиеся пары поджигаются факелом воспламененного топлива. В дальнейшем смесь выгорает преимущественно вследствие распространения пламени от поджигающего источника. Топлива с различной молекулярной структурой в этих условиях не оказывают значительного влияния на процесс горения [80].

Таким образом, топливная струя должна быть направлена так, чтобы топливо, подаваемое в камеру сгорания, как можно меньше попадало на «холодные» стенки камеры сгорания, т.е. на крышку цилиндра и цилиндровую втулку. Более того, необходимо добиваться того, чтобы как можно меньше топлива испарялось в оболочку топливной струи, где смесеобразование с гомогенным составом смеси образует взрывоопасную смесь, сгорающую с высокой «жесткостью» рабочих процессов. Наиболее желательно, чтобы топливо, попадающее на поверхность головки поршня, располагалось в зоне с высокой температурой поверхности.

На рис. 2.6 показано примерное поле распределения температур на головке поршня быстроходного дизельного двигателя [108].

Рис. 2.6 Распределение температур по сечению головки поршня Согласно полю распределения температур на головке поршня, наивыгоднейшая зона соприкосновения топливной струи с поверхностью головки поршня должна располагаться в зоне максимальной температуры, т.е. на гребне профиля головки поршня (рис. 2.6). В этом случае можно ожидать улучшение экономических показателей дизельного двигателя.

2.4. Влияние показателей рабочих процессов Межремонтный срок службы двигателя определяется уровнем форсированности дизельного двигателя (с учетом степени наддува, коэффициента избытка воздуха и отношения p z / pe ), его конструкцией (жесткостью, уровнем напряжений в деталях, удельных давлений между трущимися поверхностями) и, очевидно, качеством технологического выполнения [28].

Больший срок службы двигателя достигается тем труднее, чем выше показатель форсирования, отношение p z / pe, ниже удельная масса и меньше диаметр цилиндра [28]. При этом, чем более кратковременна нагрузка, тем большие динамические напряжения возникнут в деталях двигателя.

Возникающая при этом вибрация деталей двигателя вызывает шум, работа двигателя становится «жесткой» и существенно уменьшается усталостная прочность деталей [4]. Это может приводить к нарушению плотности деталей, износам и поломкам в приводах клапанов, нарушению плотности посадок направляющих и седел клапанов и т.д.

Для оценки «жесткости» работы двигателя применяют величину, аналогичную скорости нарастания давления с той разницей, что изменение давления определяется по времени протекания рабочих процессов, т.е. первой производной изменения давления во времени dp / dt и второй производной от давления по времени dp 2 / dt 2, определяющей детонационные свойства рабочих процессов [100].

Поэтому «жесткость» работы двигателя может быть снижена, например, путем переноса процесса сгорания на линию расширения. Это может быть достигнуто изменением момента впрыска топлива относительно ВМТ.