Топливо и топливные системы судовых дизелей. Часть 12


Warning: Use of undefined constant nw_noteworthyLink - assumed 'nw_noteworthyLink' (this will throw an Error in a future version of PHP) in /var/www/1gsites/www/wp-content/themes/black-minimalism-10/theloop.php on line 102

Warning: Use of undefined constant template_directory - assumed 'template_directory' (this will throw an Error in a future version of PHP) in /var/www/1gsites/www/wp-content/themes/black-minimalism-10/theloop.php on line 104

Установленный на двигателе гидромеханический регулятор частоты вращения типа PGA-58 фирмы Woodward имеет диапазон частоты вращения, в котором он сохраняет работоспособность, 280“1172 мин1. С учетом передаточного отношения зубчатого мультипликатора данный диапазон частот соответствует диапазону частоты вращения двигателя 62-260 мин1. Как видно, режимы минимальных нагрузок дизеля совсем близко располагаются к предельным режимам регулятора. Для того, чтобы ввести регулятор в область более благоприятных режимов его работы, был спроектирован и изготовлен мультипликатор с передаточным отношением 1 : 6 («штатное» передаточное отношение равно 1:4,53). В результате этого диапазон частоты вращения двигателя, в котором регулятор сохраняет работоспособность, сдвинулся в сторону меньших оборотов и стал равным 46~195 мин1, т.е. минимально устойчивая частота вращения коленчатого вала двигателя была отодвинута от предельно-допустимых минимальных оборотов регулятора.
Двигатель с адаптированным регулятором частоты вращения был испытан на режимах минимальных нагрузок. При этом он устойчиво работал не только на режиме № 4, но и на режимах с более низкой частотой вращения дизеля. Предельная достигнутая минимальная частота вращения коленчатого вала составила 50 мин1.
Таким образом, улучшения работы дизеля на минимальных нагрузках, в том числе и на режимах МУ ч. вр. коленчатого вала, можно достигнуть следующими способами:
♦    применение систем топливоподачи аккумуляторного типа, которые принципиально отличаются от традиционных систем с индивидуальными для каждого цилиндра топливными насосами. Системы аккумуляторного типа с электронным впрыском имеют ряд преимуществ, одним из которых является возможность поддержания достаточно высокого давления впрыска независимо от частоты вращения коленчатого вала;
♦    изменение ряда конструктивов топливной аппаратуры, например, изменение (уменьшение) диаметра и числа сопловых отверстий распылителя форсунок, снижение давления открытия форсунок, изменение конструкции их клапанной системы. Однако данные мероприятия ухудшают работу дизеля на полных нагрузках;
♦    выключение из работы нескольких цилиндров. Как правило, выключается из работы половина цилиндров таким образом, чтобы оставшаяся другая работающая половина обеспечивала равномерное (через одинаковое число градусов п.к.в.) чередование вспышек;
♦    применение вспомогательных электрических воздуходувок повышенной мощности. Улучшается процесс газообмена в цилиндре (снижается уровень дымности отработанных газов),
♦    отключение подачи забортной охлаждающей воды на охладитель продувочного воздуха. Улучшаются условия работы дизеля на режиме МУ ч. вр. (несколько ускоряется процесс испарения и сгорания впрыскиваемого в цилиндр топлива);
♦    оснащение дизеля электронным регулятором частоты вращения коленчатого вала.
Глава 5
ЭКОЛОГИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ СУДОВЫХ
ДИЗЕЛЕЙ
Основные компоненты вредных выбросов с отработанными
газами
Процесс преобразования химической энергии топлива в механическую работу в цилиндре дизеля сопровождается выхлопом отработанных газов в атмосферу. К категории наиболее опасных загрязнителей, содержащихся в них, относятся следующие газообразные вещества и частицы, выбрасываемые с выпускными газами: окислы азота NOx, образующиеся в цилиндрах дизеля при температуре выше 1500°С, когда азот становится химически активным газом; окись СО и двуокись углерода С02# образующиеся в результате сгорания топлива; сернистый и серный ангидриды S02 и S03, образующиеся в результате окисления присутствующей в топливе серы (элементарной, меркаптановой и др.); продукты неполного сгорания топлива СНХ, агломерация мелких частиц не полностью сгоревшего топлива, частицы не полностью сгоревшего масла, сажи и др. (рис. 5.1).
Образование окислов азота NOx сопровождает рабочий процесс любой энергетической установки, если температура этого процесса выше 1500°С. При таких условиях атомы азота становятся химически активными в результате потери ими одного или нескольких электронов.
Таким образом, для того, чтобы уменьшить содержание в выпускных газах окислов азота, необходимо: создание в камере сгорания условий, при которых не происходит интенсификация процесса образования химически активного азота; обеспечение максимально допустимой интенсификации процесса окисления углеводородов (топлива) в камере сгорания.
Окись углерода СО образуется в результате неполного сгорания топлива, что указывает на недостаточно эффективное протекание рабочего процесса в камере сгорания дизеля. К основным причинам неполного сгорания топлива относятся: низкие эксплуатационные свойства применяемого топлива; нарушения в регулировании подачи топлива в камеру сгорания дизеля; неудовлетворительное состояние топливоподающей системы и деталей ЦПГ (нагары на распылителе форсунок, образование недопустимых отложений в газовыпускном тракте, потеря подвижности поршневых колец; изношенность деталей топливной аппаратуры и ЦПГ).
Образования окиси углерода и окислов азота связаны между собой прямо пропорционально, т.е. чем больше содержание в выпускных газах окиси углерода, тем больше содержание и окислов азота. Образование окиси углерода как результат неполного сгорания топлива указывает на неэффективное использование последнего в процессе преобразования
1 г/кВт■ч 97% СН 2,5% Са 0,5% S
13% 02 75,8% N2 5,2% СОг 5,35% НгО
NOx = 17 г/кВт ■ ч SOx = 12 г/кВт – ч СО = 0,8 г/кВт ■ ч СН = 0,9 г/кВт • ч част. = 1,2 г/кВт ■ ч
Рис. 5.1. Типовая схема поступающих в цилиндр и выходящих из него компонентов судового малооборотного дизеля при полной нагрузке: 1 ~ воздух; 2 – тепло, выделяющееся в атмосферу; 3 – выпускные газы; 4 – механическая работа; 5 ~ масло на смазку цилиндров, 6 ~ топливо

8,5 г/кВт ■ ч 21% 02 79% N2
175 г/кВт ■ ч 97% СИ 3%S

его потенциальной энергии в дизеле. Окись углерода при нормально организованном рабочем процессе, правильном выборе применяемого топлива и требуемом техническом состоянии дизеля не образуется и в выпускных газах не присутствует.
Сернистый и серный ангидриды S02 и S03 образуются в процессе сгорания топлива, содержащего серу. Реакции окисления серы в сернистый S02 и серный S03 ангидриды проходят с выделением теплоты, поэтому они участвуют в выработке преобразованной в дизеле полезной энергии. Чем выше доля серного ангидрида S03# тем больше выделяется тепловой
энергии. Однако выбросы этих ангидридов с выпускными газами являются опасными веществами для окружающей среды.
Среди указанных ангидридов наибольшую опасность представляет сернистый S02, выбрасываемый в виде газа, и в результате дальнейшего окисления, переходящий в серный ангидрид S03. При температуре ниже 110°С серный ангидрид, соединяясь с парами воды, образует наиболее химически активную серную кислоту H2S04. Серный ангидрид образуется в цилиндре дизеля, а серная кислота – еще в выпускном тракте, и возможна ее нейтрализация очистительными устройствами. Поэтому в процессе сгорания топлива необходимо обеспечить окисление серы в серный ангидрид.
Общее количество содержания сернистых веществ в выпускных газах регламентируется содержанием в топливе серы, поэтому необходимо ограничить наличие серы в применяемых топливах.
Твердые продукты сгорания топлива (частицы) в дизеле образуются в результате неполного окисления наиболее тяжелых его компонентов, и в первую очередь присутствующих в нем структурных (агрегативных) образований: смолистых, смолисто-асфальтеновых, смолисто-водяных, смолисто-твердых. Все эти несгоревшие структурные системы и составляют основную массу твердых загрязнений, выбрасываемых в виде сажи с выпускными газами.
Двуокись углерода С02 является конечным газообразным веществом процесса преобразования потенциальной энергии углеводородных энергоносителей в энергетических установках, в частности в дизелях. В отличие от перечисленных веществ, выбрасываемых в составе выпускных газов, исключить содержание в них двуокиси углерода невозможно. Основное экологически опасное воздействие двуокиси углерода состоит в разрушении озонового слоя и создании, таким образом, «парникового эффекта» на нашей планете.
Анализ данных по содержанию экологически опасных веществ в выпускных газах на единицу вырабатываемой мощности позволяет составить баланс количеств вводимых в установку и выбрасываемых из нее различных химических веществ.
Типичный состав выпускных газов для четырехтактного СОД при полной нагрузке следующий:
%(по объему)
г/кВт ■ ч)
N0………………….
so,………..
о2………………….
NO*………..
……16 или 700
со2…………………..
СО…………..
Инертные газы…..
СН…………..
Пар Н20……………
Сажа……….
Безвредные или нейтральные (С02) вещества в сумме составляют -99% от общего объема выпускных газов. Остальные – менее 1% (10000 частей на миллион – промилле, %) – включают в себя окислы азота (N0X), серы (S0X), окись углерода (СО), углеводороды (СхНу) и частицы (сажа, зола).
Окись углерода, сажа и углеводороды являются результатом неполного сгорания топлива. В связи с большим избытком воздуха в отработанных газах судовых дизелей их немного по сравнению с их количеством в высокооборотных автотракторных дизелях и особенно бензиновых карбюраторных двигателях. Однако, некоторые углеводороды обладают сильными канцерогенными свойствами, поэтому, несмотря на малую концентрацию, проблема снижения выброса этих компонентов актуальна. Такие химические вещества, как NOx, СО, SOx и др., попадая в атмосферу, нарушают ее естественный экологический баланс вследствие образования слабых кислот.
Доля NOx и S02 в отработанных газах дизелей составляет более 80% объема всех вредных выбросов, поэтому задача снижения эмиссии этих компонентов составляет основу проблемы создания экологически чистых судовых дизелей. Содержание окислов серы в отработанных газах обусловлено наличием серы в топливе. При окислении серы в камере сгорания дизеля образуются S02 и S03, причем преимущественно S02 (соотношение 15 :1). Образование окислов азота в камере сгорания дизеля обусловлено наличием больших количеств азота, кислорода и высокими температурами в отдельных зонах расслоенного заряда. Окисление азота начинается при температуре выше 1227°С, а при 2027°С и более реакция протекает достаточно быстро (время реакции около 10 2 – 10_б с).
Окись азота образуется в зонах топливного факела, где смесь приближается по составу к стехиометрической, а локальная температура может достигать 2227°С. И хотя максимальная температура в дизелях не превышает 1727°С, указанное обстоятельство обусловливает высокие значения эмиссии NOx. Окислы азота образуются также из-за наличия азота в топливе. Как показали исследования, этот азот значительно более активен в химических реакциях окисления по сравнению с атмосферным азотом.
5.2. Требования международных и отечественных стандартов по экологии судовых дизельных двигателей
На состоявшейся 26.09.97 конференции членов Международной Конвенции по предотвращению загрязнений от судов (MARPOL 73/78) принят разработанный Международной организацией судоводителей (IMO) директивный документ «Технический Кодекс по выбросам окислов азота от судовых дизельных двигателей» (далее Кодекс).
Предполагалось, что эти предложения IMO формально вступят в силу спустя год после того, как 15 стран-участниц, представляющих 50% мирового тоннажа эксплуатирующихся судов, ратифицируют соглашение. На данный момент соглашение не ратифицировано, однако вступил в силу циркуляр 34 IMO MERC, в соответствии с которым дизели, предназначенные для судов с датой закладки киля после 1 января 2000 г., подлежат экологической сертификации с выдачей промежуточного (или временного) сертификата. После вступления в силу правил IMO по ограничению выбросов промежуточные сертификаты будут переоформлены, как это требуется, в международные сертификаты по предупреждению загрязнения воздуха судовыми дизелями (EIAPP-Сертификаты).
Правила IMO или, другими словами, «Технический Кодекс по контролю эмиссии окислов азота судовыми дизельными двигателями», как следует из названия документа, накладывает ограничения пока только на эмиссию окислов азота.
Кодекс представляет собой Международный стандарт, устанавливающий порядок и правила сертификации судовых дизелей на предприя-тии-изготовителе и на борту судна на соответствие нормам выбросов NOx организацией, уполномоченной Правительством страны (Регистром РФ).
Под действие Кодекса подпадают судовые дизели мощностью более 130 кВт, предназначенные к установке или установленные на любых судах, вместимостью 400 и более регистровых тонн, подчиненных правилам по предотвращению загрязнения воздуха от судов, составляющих Приложение IV к MARPOL 73/78.
Его требования должны быть обеспечены прежде всего изготовителями судовых дизелей.
Требования Кодекса в части испытательных процедур, методов измерений и методов обработки результатов испытаний полностью соответствуют международному стандарту ISO 8178 «ДВС. Измерение эмиссии вредных веществ». Нормированию подлежат удельные средневзвешенные выбросы NOx при испытаниях по стандартным четырехступенчатым циклам Clf D2, Е2, Е3.
Выброс окислов азота в атмосферу при сгорании топлива наносит наибольший ущерб, нарушая в природе очень хрупкое природное равновесие. Именно поэтому, экологи и законодатели настаивают на контроле, в первую очередь, выбросов NOx. IMO на основе проведенных исследований заложило в Кодексе требования по ограничению выбросов окислов азота, которые показаны на рис. 5.2.
Нормы выбросов NOx установлены в зависимости от номинальной частоты вращения коленчатого вала дизелями п и имеют следующие значения:
при п < 130 мин"1, eNOx = 17 г/кВт ■ ч;
при 130 < п < 2000 мин1, eNOx = 45rr0*2 г/кВт ■ ч;
при п >2000 мин1, eNOx = 9f84n г/кВт – ч.
По настоянию EUROMOT (Ассоциация Европейских производителей двигателей внутреннего сгорания) эти нормы уже действуют с 1997 г.
В национальных стандартах ряда стран для судовых дизелей нормы выбросов не связаны с каким-либо техническим параметром дизеля и имеют постоянное значение. Например, в США стандартом ЕРА на 1999 г. установлена норма выбросов NOx 9,2 г/кВт – ч, а в России до 2000 г. – 14 г/кВт ■ ч, с 2000 г. – 8 г/кВт – ч. Наиболее жесткий и действующий с 1995 г.
[nOx, г/кВт- ч
Рис. 5.2. Требования Кодекса ГМО по ограничению выбросов окислов азота
стандарт Калифорнии (США) ограничивает выбросы NOx от морских судов нормой 2 г/кВт ■ ч. Таким образом, нормы Кодекса следует считать весьма либеральными, особенно для мало- и среднеоборотных дизелей.
До 2000 г. вредные выбросы оксидов углерода и окислов азота дизелей нормировались в соответствии с ГОСТ 24585-81 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработанными газами. Нормы и методы определения». Дымность ОГ определялась и нормировалась в соответствии с ГОСТ 24028-80 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Дымность отработанных газов. Нормы и методы измерения». Однако требования этих государственных стандартов распространялись только на заводские стендовые испытания дизелей и не применялись для дизелей в эксплуатации.
В 1997 г. вместо ГОСТ 24028 и 24585 вступили в силу новые стандарты, а также дополнительный стандарт «Испытательные циклы», разработанные Техническим комитетом РФ по стандартизации ТК-235 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные».
С1 января 2000 г. введен в действие новый государственный стандарт ГОСТ Р 51249-99 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработанными газами. Нормы и методы определения», требования, которые допускается распространять на дизели в условиях эксплуатации, в том числе и после капитального ремонта.
При разработке стандартов учтены МС ISO 8178, IS010054, ISO 11б14и UJC-Codex № 623-2 в части терминов и определений, методов испытаний, измерений и расчетов. Расширена область применения стандартов на все виды стендовых испытаний дизелей, в том числе, прошедших капитальный ремонт. Расширена номенклатура нормируемых выбросов, а также ужесточены нормы.
Действующий ГОСТ 24028 допускал измерения непрозрачности потока отработанных газов (ОГ) дизелей при использовании только дымо-меров оптического типа (ДОТ). Вместе с тем, как за рубежом, так и в отечественной практике широкое распространение получили дымомеры фильтрационного типа (ДФТ), которые, благодаря своей портативности, легко могут быть подключены в любом подходящем месте выпускных систем тепловозных и крупных судовых дизелей, в частности, расположенном внутри машинного отделения тепловоза или судна.
Таблица 5.1
Нормы дымности отработанных газов
Расход отработанных
^ехр» ДМ3/С
газов
Натуральный показатель ослабления светового потока, Кд, м- не более
Коэффициент ослабления светового потока, приведенный к шкале дымометра оптического типа с L = 0,43, Л/%, не более
Дымовое число фильтра, приведенное к шкале дымометра фильтрационного типа с LfF= 0,405м FSN, уел. ед., не более
до 75 включ.
свыше 75 «
« 1150 «
« 1500 «
« 2000 «
Примечание: Данные табл. 5.1 нельзя использовать для пересчета показаний оптического дымомера в показания фильтрационного, за исключением случаев одновременного проведения измерений
Применение на этих объектах эксплуатации полнопоточных и даже частичнопоточных ДОТ осложнено необходимостью размещения на сре зе газовыпускной трубы либо фотометрического узла дымомера, подвергающегося воздействию атмосферы, либо обогреваемой пробоотборной линии.
Поэтому в новой редакции стандарта, регламентирующего нормы и методы измерения дымности ОГ, допускается использование как ДОТ, так и ДФТ.
В действующем стандарте нормирование показателей дымности ОГ базируется на условном (геометрическом) расходе газов. В новой редакции стандарта дымность нормируется в зависимости от действительного расхода отработанных газов, то есть имеет место ужесточение требований к дизелям с турбонаддувом.
Значения норм дымности ОГ приведены в табл. 5.1.
Уточнена формула приведения коэффициента ослабления светового потока N, измеренного ДОТ с произвольной эффективной базой L, к базе, равной 0,43 м, характерной для автомобильных дымомеров:
0,43. (. N V
N0 43(%) = 100%

exp—1—In 1–
L ^ 100% j
Впервые введена формула приведения показаний ДФТ с фильтрационной колонкой произвольной эффективной длины Lf к длине, равной 0,405 м, также характерной для автомобильных дымомеров:
0,405, (, FSN 1-exp    1
FSN0 405(%) = 10

где ‘FSN – дымовое число фильтра в условных единицах десяти балльной шкалы.
Действующий ГОСТ 24585 регламентирует нормы и методы опреде ления удельных выбросов окислов азота (NOx) и окиси углерода (СО).
Новая редакция стандарта дополняет номенклатуру нормируемых веществ суммой углеводородов (ZCH) в приведении к СН;
В действующем стандарте нормы выбросов устанавливаются в функции среднего эффективного давления и удельного расхода топлива при номинальной мощности в условиях стендовых испытаний серийных дизелей (табл. 5.2).
В новой редакции стандарта изменяется методический подход к расчету и нормированию удельных выбросов загрязняющих веществ, основанный на их оценке по стандартным испытательным циклам дизеля.
Испытательный цикл “ это совокупность фиксированных по частоте вращения коленчатого вала и мощности (или моменту) режимов работы дизеля, устанавливаемая в соответствии с его назначением и реализуемая в процессе стендовых испытаний.
Таблица 5.2
Нормы выбросов загрязняющих веществ
Наименование
Обозначение
Назначение
Норма удельных
и размерность
дизеля
средневзвешенных
нормируемого параметра
выбросов
до 2000 г.
с 2000 г.
Удельный средневзве
Тепловозный
шенный выброс окислов
Промышленный
азота (NOx) в приведении к N02, г/кВт ■ ч
Судовой
Удельный средневзвешенный выброс окиси
Любое
углерода (СО), г/кВт ■ ч
Удельный средневзвешенный выброс углеводородов ZCH
Любое
в приведении к СЦ 85, г/кВт – ч
Нормируемым (и расчетным) параметром выброса принимается удельный средневзвешенный выброс загрязняющего вещества – е? который представляет собой количество вещества, приходящееся на 1 кВт ч эффективной работы дизеля при совершении им полного испытательного цикла:
Ч exp j j
ef = 0,446R, ——– г/Вт-ч,
где Q – измеренная при испытаниях концентрация i-ro загрязняющего вещества в ОГ, об. %;
j – порядковый номер режима испытаний в испытательном цикле; Vexp ” объемный расход ОГ, приведенный к стандартным атмосферным условиям (Т0 =273 К; Р0= 101,3 кПа), нм3/ч (во «влажном» или «сухом» состоянии в зависимости от условий измерения состава отработанных газов);
Pej – отношение эффективной мощности дизеля на данном режиме испытаний к номинальной эффективной мощности;
Реном ” номинальная эффективная мощность, кВт; j-tj – молекулярная масса любого загрязняющего вещества либо его эквивалента по приведению, кг/моль;
т ~ количество режимов испытаний в испытательном цикле;
Wj – весовой коэффициент режима испытаний.
Весовой коэффициент режима испытаний – это условная величина, статистически отражающая долю времени работы дизелей данного назначения в эксплуатации в окрестностях данного режима. Значения Wj заимствованы из международных стандартов.
Испытательные циклы (регламентируются отдельным стандартом) для судовых, тепловозных и промышленных дизелей имеют 5 основных градаций (при общем числе 11) и являются производными от универсального одиннадцатирежимного цикла (табл. 5.3).
Разбивка циклов по градациям отвечает следующим признакам:
С – промышленные дизели, мощностью более 20 кВт;
D – дизели для привода генератора (две подгруппы);
Е – судовые дизели (четыре подгруппы);
F – тепловозные дизели;
G – промышленные дизели, мощностью менее 20 кВт (три подгруппы).
По назначению дизелей в новом стандарте различаются и нормы удельных средневзвешенных выбросов NOx (см. табл. 5.2).
Для дизелей, прошедших капитальный ремонт, нормы корректируются соответствующими коэффициентами.
В новом стандарте уточнены требования к газоаналитической аппаратуре в части применяемых методов количественного анализа. Так, при
Таблица 5.3
Основные испытательные циклы
Назначение дизеля и индекс испытатель но го цикла
Обозна
чение
режима
Отношение частоты вращения коленчатого вала к номинальной частоте вращения, п
Отношение эффективной мощности к ее номинальному значению.
Весовой коэффициент режима, W
Промышленное
(дизел ь – генератор)
Судовые Е3
Для железнодорож
ного транспорта F
промежуточная
промежуточная
промежуточная
проведении сертификационных испытаний дизеля газоанализаторы должны иметь следующие детекторы:
–    для NOx – хемилюминесцентный (нагреваемый или нет) с преобразователем NOx NO;
–    для СО – недисперсионный инфракрасный;
–    для СН – пламенно-ионизационный, нагреваемый до температуры (453 ± 10) К.
Линия отбора и транспортирования пробы должна быть термостати-рована при температуре 180 ± 20°С. Длина пробоотборной линии не должна превышать 20 м, при этом в паспорте должна быть указана дополнительная погрешность определения состава газов, вносимая пробоотборной линией и системой пробоподготовки.
5.3. Сертификация судовых дизелей на соответствие нормам выбросов окислов азота
Количество вредных выбросов дизелем напрямую зависит от конструкции дизеля, поэтому судовладельцы не могут оказать существенного воздействия на уровни этих выбросов. Однако, во время эксплуатации эмиссия вредных выбросов напрямую зависит от вида используемого топлива, соблюдения регулировочных параметров, состояния топливной аппаратуры, системы воздухоснабжения и т.д., а также от применения на судне вторичного метода снижения эмиссии.
В связи с принятием соответствующих законодательных актов (см. пункт 5.2) вводится сертификация судовых дизелей на соответствие выбросам NOx. Целью Кодекса является установление соответствия этим нормам при освидетельствовании и сертификации судовых дизелей.
Факт соответствия судового дизеля нормам Кодекса по результатам сертификационных испытаний, которые проводит аккредитованная Регистром организация (аккредитован может быть и производитель дизеля), удостоверяется Регистром выдачей двух международных сертификатов:
“ двигателю выдается сертификат «О предотвращении загрязнения воздуха двигателем» (EIAPP);
–    судну выдается сертификат «О предотвращении загрязнения воздуха» (IAPP).
При этом последний выдается в ходе освидетельствования всех установленных на судне дизелей, мощностью более 130 кВт.
Кодекс предусматривает следующие виды освидетельствований судовых дизелей: первоначальное, периодические и промежуточные, а также внеочередные (если приведены существенные конструктивные изменения дизеля).
Сертификация дизеля должна производиться на заводе-изготовителе двигателя, но в особых случаях может происходить на борту судна одновременно с первоначальным освидетельствованием. Такие особые случаи возникают, когда двигатели вследствие их размеров, конструкции или режима поставки не могут быть сертифицированы на испытательном стенде.
Для освидетельствования дизелей на соответствие нормам выбросов NOx в Кодексе предлагается пять методов, а именно:
–    метод стендовых испытаний с проведением измерений по требованиям Кодекса (соответствуют ISO 8178-1);
–    метод измерений на борту судна в объеме требований, предъявляемых к стендовым испытаниям (для дизелей, не получивших сертификат EIAPP на за воде-изготовителе);
–    метод сверки параметров дизеля при первоначальном, периодических и промежуточных освидетельствованиях, применяемый к дизелям, имеющим сертификат изготовителя, или дизелям, подвергнутым конструктивным изменениям или регулировкам по отношению к состоянию во время последнего освидетельствования;
–    метод упрощенных измерений для двигателей, не подвергшихся изменениям после установки на борту судна;
–    метод мониторинга, применяемый только для периодических и промежуточных освидетельствований.
Право выбора метода сертификации и последующих освидетельствований закреплено за изготовителем дизеля, судостроителем или судовладельцем.
Если в результате сертификационных испытаний выявляется несоответствие дизеля нормам выбросов NOx, то может быть подобрано и установлено оборудование для снижения выбросов NOx. Такое оборудование, будучи установленным, должно признаваться как существенный, неотъемлемый компонент дизеля, и его наличие должно быть зафиксировано в Техническом досье двигателя (ТДД). Для получения сертификата EIAPP дизелем в комплектации с оборудованием для снижения выбросов необходимы повторные испытания, которые допускается проводить методом упрощенных измерений. Сведения об оборудовании для снижения выбросов NOx должны быть внесены в сертификат EIAPP, а в ТДД должны быть указаны процедуры контроля нормальной работы этого оборудования.
ТДД – это новый документ, который представляет собой экологический паспорт судового дизеля, подготавливается его изготовителем, подлежит одобрению Регистром и требуется для сопровождения дизеля в течение всего срока его судовой службы.
Для обеспечения возможности освидетельствования дизеля Регистром ТДД должно содержать, как минимум, следующую информацию:
–    идентификация всех компонентов и регулировок дизеля, которые влияют на выбросы NOx;
–    идентификация полных диапазонов допустимых регулировок; полная опись связанных с выбросами NOx показателей дизеля, включая номинальные значения мощности и частоты вращения;
–    описание процедур, предназначенных для подтверждения соответствия нормам выбросов NOx при освидетельствованиях дизеля на судне; копия отчета о сертификационных испытаниях дизеля; указания и ограничения для дизеля – члена семейства или группы; спецификация запасных частей, позволяющая продемонстрировать соответствие нормам эмиссии NOx; сертификат EIAPP.
Система контроля и освидетельствования дизеля на судне должна обеспечивать простоту процедуры и доступность для осмотра и проверки всех контролируемых узлов и регулировок, что ставит новые задачи конструктору при создании дизеля.
С цёлью упрощения процедуры сертификации серийно выпускаемых дизелей, кодекс предлагает использовать одну из двух концепций: семейства или группы, которые соответствуют ISO 8178. В случае применения этих концепций сертификационные стендовые испытания требуются только для характерного представителя группы или семейства, имеющего наибольшие выбросы NOx. При этом обязательной является процедура доказательства правильности выбора характерного представителя, подразумевающая проведение специальных исследований и демонстрацию их результатов Регистру.
Концепция группы может быть применена для дизелей мелкосерийного производства с одинаковой областью применения, которые требуют незначительных конструктивных изменений и настроек регулируемых элементов при установке на судне. Как правило, это мощные главные судовые двигатели.
Семейство серийных двигателей объединяется общностью их основных конструктивных признаков, а именно:
–    тактность;
–    охлаждающая среда (воздух, вода, масло);
^ наличие наддува;
–    тип топлива (легкое, тяжелое, двойное);
–    камера сгорания (открытая, разделенная);
–    органы газораспределения (конфигурация и количество клапанов или окон, расположение в крышке или стенке цилиндра);
–    тип топливной системы (разделенная, распределительный или рядный насос, насос-форсунка, газовый клапан и др.);
–    могут быть приняты во внимание прочие особенности;
–    рециркуляция отработанных газов;
–    впрыск воды или водотопливной эмульсии;
–    очистка отработанных газов за счет восстановительного катализатора, окислительного катализатора, термического реактора, фильтра частиц и т.д.
Число и расположение цилиндров могут стать объединительным признаком лишь в тех случаях, когда это влияет на уровень выбросов NOx, например, через конструкцию газовоздушных трактов или очистного оборудования. Если в производстве имеются судовые дизели, обладающие другими особенностями, способными отразиться на выбросах NOx, то такие особенности должны быть выявлены и учтены при образовании семейства.
Методы образования семейства и выбора головного двигателя должны быть согласованы и одобрены Регистром. Изготовитель дизеля несет ответственность за отбор двигателей для включения их в семейство из имеющейся номенклатуры.
В качестве головного члена семейства двигателей должен быть отобран такой, конструктивные и прочие особенности которого, известные из инженерного анализа и экспериментальных исследований, обусловливают наиболее высокий удельный средневзвешенный выброс NOx (г/кВт ■ ч). Это требует детальных знаний характеристик всех двигателей, включаемых в состав семейства. Допускается представление семейства двумя (и более) головными двигателями.
При выборе головного двигателя в семействе, кодекс рекомендует пользоваться следующими критериями:
–    главный критерий – наивысшая скорость подачи топлива.
Дополнительные критерии:
–    наиболее высокое среднее-эффективное давление; наиболее вы сокое максимальное давление в цилиндре; наиболее высокое отношение давлений воздуха на впуске к давлению сжатия в начале самовоспламенения топлива; наиболее высокое давление наддува;
–    наиболее высокая температура наддувочного воздуха;
–    наименьшая скорость нарастания давления при сгорании. Для одобрения семейства и его головного двигателя Регистр вправе пересмотреть решение изготовителя и подвергнуть сертификационным испытаниям различные дизели для проверки того, что все члены семейства отвечают установленным нормам выбросов NOx.
Одобрение семейства двигателей Регистром осуществляется выпуском свидетельства (сертификата), включающего перечень членов семейства, подготовленный изготовителем, с приложением к нему технической документации с указанием всех ограничений в условиях их работы, комплектации в разрешенных пределах регулирования.
Объединение дизелей в группу отличает большее единообразие, чем у членов семейства. Так, в дополнение к общим признакам, присушим членам семейства, общими в группе должны быть также:
–    диаметр и ход поршня;
–    тип и конструктивные особенности систем наддува и подвода отработанных газов к турбине (изобарная, импульсная);
–    наличие охладителя наддувочного воздуха;
–    конструктивные особенности камеры сгорания (влияющие на выбросы NOx);
–    конструктивные особенности топливной аппаратуры, в частности, плунжера и профиля кулачка, обусловливающих скорость подачи топлива.
Выбор головного в группе дизелей, производимых мелкими сериями и имеющих достаточно высокое подобие между собой, может отличаться от выбора головного двигателя семейства. Так, в качестве головного двигателя группы, может быть зарегистрирован первый заказанный изготовителю дизель. Метод выбора головного двигателя группы должен быть согласован и одобрен Регистром.
Как уже упоминалось, отличительной особенностью группы является допустимость изменений регулировок и компонентов дизелей после их установки на судне. Значимость произведенных изменений на показатели выбросов NOx освидетельствуется либо методом сверки параметров, либо непосредственными измерениями на борту судна. Допускается также в качестве доказательной базы использовать результаты измерений выбросов NOx, полученных на испытательном стенде при аналогичных изменениях регулировок и компонентов дизеля.
Характерные примеры регулировок и конструктивных изменений дизеля, разрешенных Кодексом внутри группы, приведены ниже:
–    регулировки для соответствия условиям на судне;
–    опережения впрыска топлива для компенсации различий в свойствах топлив;
–    опережения впрыска топлива для оптимизации максимального давления сгорания;
–    сведение до минимума разброса подач топлива по цилиндрам; оптимизация рабочих характеристик путем замены турбокомпрессора, ТНВД (плунжерной пары, нагнетательного клапана), распылителя форсунки, профилей кулачков (впускного и (или) выпускного клапана, валика ТНВД), камеры сгорания.
Приведенные примеры изменений дизеля на судне после его стендовых испытаний относятся к существенным. Это один из основных аргументов в пользу применения концепции группы двигателей. Получив заявку, Регистр может признать результаты демонстрационных испытаний, выполненных на одном двигателе (возможно исследовательском) и показывающих влияние регулировок и модернизаций на уровень выбросов NOx, и распространить их на все двигатели из группы без проведения сертификационных испытаний каждого ее члена.
При проведении испытаний на выбросы, желательно, чтобы дизель был оборудован теми же вспомогательными устройствами, которые будут использоваться на судне.
Однако, для ряда дизелей вспомогательное оборудование, которое может быть установлено в эксплуатации; неизвестно при сертификации. Поэтому базовой мощностью при расчетах удельных средневзвешенных выбросов принята «не скорректированная эффективная мощность». Под коррекцией мощности подразумевается поправка измеряемой мощности с учетом параметра атмосферных условий и конструктивных особенностей двигателя. Эта мощность поясняется в Кодексе с помощью нескольких положений:
–    эффективная (не скорректированная) мощность – наблюдаемая мощность, измеренная на коленчатом валу или его эквиваленте при оснащении двигателя только стандартным вспомогательным оборудованием, необходимым для его работы на испытательном стенде;
–    вспомогательное оборудование, в котором нет необходимости для работы двигателя на стенде, должно быть удалено на период испытаний;
–    если несущественное вспомогательное оборудование не удалено, то должна быть определена поглощаемая им мощность при частотах вращения коленчатого вала на режимах испытаний и вычислена «не скорректированная эффективная мощность» как сумма измеренной мощности на коленвале и мощности, затраченной на привод этого дополнительного оборудования;
–    потери мощности на привод вспомогательного оборудования не должны превышать 5% максимальной измеряемой мощности.
Кодекс выдвигает весьма жесткие требования к точности измерений показателей, необходимых для расчета выбросов. Предельно допустимые относительные погрешности основных измеряемых величин должны соответствовать табл. 5.4.
Таблица 5. 4
Погрешности измеряемых величин
Параметр двигателя
Допустимая относительная погрешность Интервалы между (+% к максимальному значению) поверками (мес.)
Частота вращения
Крутящий момент
Мощность
Расход топлива
Расход воздуха
Концентрация NOx
Следует обратить внимание на то, что в аналогичном ГОСТ 24585 даются менее жесткие, допустимые отклонения измерений концентраций NOx, несмотря на единство требуемого метода анализа “ с помощью нагреваемого хемилюминесцентного детектора. Это расхождение обусловлено тем, что отечественные изготовители газоаналитической аппаратуры регламентируют совокупную погрешность прибора в сочетании с устройствами пробоподготовки, а в Кодексе указывается погрешность собственно детектора.
Таким образом, новые международные требования к обязательной сертификации судовых дизелей по показателю выбросов ставят перед производителями судовых дизелей задачу проведения в очень сжатые сроки серьезной подготовки к обеспечению этих требований. Эта подготовка предусматривает как разработку новой технической документации (техническое досье, концепция семейства или группы), так и существенную модернизацию моторных стендов для сертификации судовых дизелей, включая оснащение их современными средствами контроля выбросов.
5.4. Характеристики вредных выбросов
В соответствии с международным стандартом ИСО используются следующие характеристики для измерения эмиссии вредных выбросов ДВС: состав газообразных выбросов Q, %; скорость выделения выбросов Ei# кг/ч; удельный выброс ei# кг/(кВт ■ ч); выброс вредного компонента на 1 кг топлива ei# кг/кг топлива.
Характеристики вредных выбросов связаны между собой следующими соотношениями:
£j £j GT, EJ Ne,
3 = 3 <7e» Cj = /r 100, г
где GT ~ расход топлива на двигатель, кг/ч;
Ne ~ эффективная мощность двигателя, кВт;
де -удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт • ч);
Gr – массовый расход газов, кг/ч;
к ~ коэффициент, равный отношению молекулярной массы газов к молекулярной массе вредного компонента, т.е. к =
Например, для окислов азота ^ = 29,3; ^NOx = 44,4, тогда к = 0,66;
CNOx = 0,66 ■ 100.
Расход газов через двигатель можно представить следующим образом:
где фа – коэффициент продувки;
а – коэффициент избытка воздуха при сгорании;
L0 – теоретическая масса воздуха, необходимая для сгорания 1 кг топлива,
После подстановки последней формулы в уравнение для С. и несложных преобразований получим:
Q = kej (асра/-0+ 1).
Из этой формулы следует, что объемная концентрация вредных компонентов в отработанных газах зависит от степени разбавления воздухом, поэтому для сравнения уровня их эмиссии для различных дизелей величину С. приводят (пересчитывают) к концентрации избыточного кислорода в сухих отработанных газах (после конденсации паров Н20), равной 15%.
5.5. Основные направления решения экологических проблем
Основная группа экологически опасных веществ образуется в процессе преобразования потенциальной энергии топлива в энергетической установке. Эти газообразные (окислы азота, окись и двуокись углерода, сернистый и серный ангидриды) и твердые (агломераты неполного сгорания топлив, нагары и др.) химические вещества выбрасываются из цилиндров в составе выпускных газов.
При введении международных норм на выброс экологически вредных веществ возникнет необходимость выбрать достаточно эффективный метод их снижения. Борьбу с выбросом можно вести первичными методами, воздействуя на рабочие процессы дизелей таким образом, чтобы уменьшить количество образующихся в цилиндрах веществ, влияющих на экологию.
Первичные методы можно разделить на две группы:
требующие изменения конструкции дизеля или отдельных его элементов, реализуемые при разработке новых дизелей (совершенствование системы впрыска и смесеобразования дизеля, системы турбонаддува; выбор оптимальных газораспределений, степени сжатия, частоты вращения коленчатого вала; организация вихревого движения заряда в камере сгорания и др.);
не требующие существенного изменения конструкции, реализация которых возможна при незначительной модернизации дизеля (перевод дизеля на работу на ВТЭ, изменение фаз топливоподачи, рециркуляция части отработанных газов и др.).
К первичным методам снижения эмиссии можно отнести также выбор оптимального режима работы дизеля. Например, если главный дизель нагружен винтом регулируемого шага, то для снижения эмиссии NOx малый и средний ход целесообразно осуществлять в режиме постоянной частоты вращения (п = const), т.е. изменять скорость судна только путем изменения шага винта. Это позволит снизить выброс NOx на 10-20% по сравнению с режимами комбинаторной кривой.
В целом, благодаря применению первичных методов, реально достичь снижения эмиссии NOx на 30~50%. В том случае, если международным законодательством будут введены более жесткие требования по ограничению выбросов, первичных методов будет недостаточно и будет необходимо использовать вторичные методы или их комбинацию с первичными.
Вторичные методы направлены на удаление вредных выбросов из выпускных газов и осуществляются вне цилиндра двигателя.
Все технические мероприятия, относящиеся к первичным методам, можно подразделить на следующие основные группы:
♦    изменение угла опережения впрыскивания топлива. Его уменьшение приводит к снижению NOx, но влечет за собой увеличение удельного расхода топлива. Так, 10-процентное снижение уровня NOx вызовет дополнительно 2-процентное увеличение расхода топлива;
♦    управление подачей топлива. Для управления началом подачи топлива с целью снижения NOx и концом топливоподачи с цепью снижения выбросов сажи;
♦    изменение степени сжатия, повышение с 13 до 16;
♦    повышение давления впрыскивания топлива. Увеличение числа сопловых отверстий распылителя форсунки с одновременным уменьшением их диаметра приводит к более однородному распы-ливанию топлива и улучшению смесеобразования, в результате чего содержание NOx падает;
♦    изменение параметров наддувочного воздуха и коэффициента избытка воздуха. Уменьшение температуры наддувочного воздуха с одновременным увеличением давления наддувочного воздуха и коэффициента избытка воздуха приводит к снижению выбросов NOx;
♦    применение электронного управления процессом впрыска топлива;
♦    понижение максимального давления сгорания путем более позднего впрыска;
♦    оптимизация формы камеры сгорания и формы топливных струй (применение специальных форсунок) с целью получения максимальной однородности смеси;
♦    увеличение числа форсунок, устанавливаемых на один цилиндр (установка трех форсунок);
♦    применение рециркуляции части выхлопных газов, снижение количества продувочного воздуха;
♦    использование водоэмульсионного топлива (с соответствующей модификацией системы топливоподготовки и системы топливопо-дачи);
♦    переоборудование двигателя для работы на двойном роде топлива, жидком и газообразном;
♦    применение многофункциональных присадок к топливу, обеспечивающих снижение образования вредных для окружающей среды веществ;
♦    повышение эксплуатационных и экологических свойств самих горюче-смазочных материалов.
Топлива с улучшенными свойствами по сравнению с аналогичными топливами, вырабатываемыми в настоящее время, должны быть: узкофракционного состава, с меньшими испаряемостью и склонностью к осадкообразованию, меньшим содержанием серы, с контролируемым содержанием тяжелых металлов и температурой застывания ниже 0°С.
Следует отметить, что многие из перечисленных методов снижения эмиссии NOx приводят к некоторому ухудшению экономических характеристик двигателя, так как происходит снижение термического КПД цикла.
Применяемые первичные методы позволяют в значительной мере снизить содержание в выпускных газах экологически опасных веществ. Тем не менее, какое-то их количество образуется и выбрасывается вместе с газами в окружающую среду. Это прежде всего окислы азота NOx, сернистый и серный ангидриды S02 и S03 и твердые агломераты неполного сгорания топлива и масла в виде сажи. В процессе эксплуатации в зависимости от состояния дизеля (нагарообразования в цилиндрах и выпускных трактах, работоспособности топливоподающей аппаратуры и др.), содержание экологически опасных веществ в выпускных газах может превышать предельно допустимые значения. Поэтому как бы завершающим мероприятием в полном решении проблемы защиты окружающей среды от вредных выбросов с выпускными газами является очистка последних в специальных устройствах, относящихся к вторичным методам.
В основу очистки выпускных газов от экологически опасных веществ положены: создание условий для образования в парах воды азотной кислоты (по реакции Н20 -* NCX -» HN03); нейтрализация азотной кислоты в фильтрующих элементах [по реакции HN03 + (щелочь) -* (Ca)NaN04 + Н20]; механическая очистка от твердой фазы (сажи).
Нейтрализация газов путем удаления токсичных составляющих с помощью химических реакций в нейтрализаторе является эффективным способом решения проблемы комплексной очистки отработанных газов, нашедшим широкое применение на автотранспорте. Однако, с помощью нейтрализаторов, применяемых для автомобильных дизелей, нельзя решить проблему комплексной очистки ОГ судовых дизелей, так как находящаяся в дизельном топливе даже в малых количествах сера существенно ухудшает надежность и срок службы нейтрализатора. Поэтому в судовых энергоустановках в настоящее время применяются конструкции нейтрализаторов, где в качестве средства для снижения NOx используется аммиак или мочевина.
Однако эти системы сложны, дорогостоящи (до 15% стоимости силовой установки) и крупногабаритны, что затрудняет их размещение в машинных отделениях речных судов. Основным конструкционным материалом нейтрализатора и фильтра-катализатора, предлагаемого для судов речного флота, является блочная сотовая высокопористая и термостойкая керамика. Ее важнейшим достоинством считается не только способность улавливания твердых аэрозольных частиц сажи и тяжелых углеводородов (НС) на фильтре при всех режимах работы двигателя, но и способность регенерации и самооочистки в температурном окне работы катализатора (250-450°С) без существенного ухудшения газодинамического сопротивления. Стендовые испытания макета нейтрализатора показали, что он позволяет снизить концентрацию NOx на 20~30%, а СО и легких углеводородов на 40~60%.
В настоящее время готовятся дополнительные испытания в судовых условиях нейтрализаторов конструкции ЦНИДИ и «Эко-нейтраль». Относительная стоимость этих устройств применительно к наиболее распространенным на речном флоте двигателям 64 15/18 и 6418/22 составляет соответственно 13 и 7%. Кроме того, указанным нейтрализаторам свойственны простота конструкции и малые габариты, позволяющие свободно размещать их на речных судах всех типов. Московской государственной академией водного транспорта разрабатываются рекомендации по средствам снижения вредных выбросов с учетом типа судна и основных параметров ДВС, установленных на них.
Решение этой проблемы может осуществляться в нескольких направлениях. Такими направлениями могут быть: доводка регулировочных параметров, режимы работы дизеля, а во время разработки дизеля и конструктивные параметры камеры сгорания, диаметр и ход поршня, количество форсунок на цилиндр и др.
Однако следует иметь в виду, что все технологии уменьшения NOx связаны с удорожанием стоимости дизелей в изготовлении, некоторым ростом расходов на обслуживание при эксплуатации и повышением расхода топлива.
5.6. Влияние регулировочных, конструктивных и эксплуатационных параметров на экологию и экономичность дизеля
Если существующий двигатель не удовлетворяет Правилам IMO, то ему не выдается сертификат о предотвращении загрязнения двигателем воздуха. Такой двигатель должен пройти дополнительные стендовые испытания для доводки экологических параметров. Они включают исследования влияния конструктивных изменений или регулировочных параметров на вредные выбросы.
Значительное влияние на выбросы NOx оказывает угол задержки впрыска топлива. По данным фирмы МАН-«Бурмейстер и Вайн» впрыск топлива при 8° п.к.в. после ВМТ приводит к снижению выбросов приблизительно на 25 – 30% на различных нагрузках (рис. 5.3). Но при этом повышается удельный расход топлива ~ на 8~10% и увеличивается дымность на 2~5%. Таким образом, этот метод снижения выбросов на стендах завода может использоваться, если двигатель имеет запас по экономичности, т.е. если он перекрывается допуском на величину удельного расхода топлива, а во время эксплуатации только для судов, работающих в местных акваториях, с жесткими экологическими требованиями.
Повышение максимального давления цикла), приводит к увеличению массовых соотношений С02/С0 и Н20/Н2 в продуктах сгорания. Вследствие этого, увеличивается отдача энергии от продуктов сгорания в процессе расширения и уменьшается де. Например, при стехиометричес-ком составе топливовоздушной смеси и максимальной температуре цикла Tz = 2778 К повышение pz от 9 до 17 МПа приводит к увеличению
С02/С0 с 5,5 до 6,6 и к уменьшению де на 20 г/(кВт • ч). Следовательно, целесообразны компромиссные решения при выборе pz в пределах допустимых из условий прочности деталей дизеля, экономичности и необходимой токсичности. Увеличение потерь на трение при том несущественно влияет на де.
Повышение Т7 увеличивает диссоциацию С02 и Н20 с образованием СО и Н2, вследствие чего увеличивается де. Поэтому желательно уменьшение Тг при том же де.
де, %
Рис. 5.3. Влияние угла задержки впрыска топлива на выбросы NOx и экономичность на различных нагрузках. + -25% Ne; ■ – 50% Ne; k. – 75% Ne; x~ 100% Ne

В дизелях с ТК применение охлаждения наддувного воздуха уменьшает Т, что приводит к увеличению соотношений С02/С0 и Н20/Н2, а в результате – к снижению де. При этом уменьшается также количество NOx в ОГ.
Величина объема цилиндра Vh влияет на теплоотдачу и трение в цилиндре. При уменьшении l/h уменьшается де. При неразделенной камере сгорания КС отмечено наиболее резкое изменение де в ма-ло- и среднеразмерных дизелях, с Ц-, от 25,7 до 2400 см3. Так, с уменьшением 1/ьот100 до 1,0 литра увеличивается дес 182 до 232 г/(кВт ■ ч), т.е. на 27%. Это объясняется тем, что в крупноразмерных дизелях объем КС более достаточен, чтобы топливная струя полностью образовалась и не столкнулась со стенкой КС. При разделенной КС, де больше, чем при неразделенной КС, в среднем на 30%. Из приведенного анализа сделан вывод, что по топливной экономичности, при прочих равных условиях, более целесообразны конструкции дизелей с меньшим числом цилиндров и большим l/h, а это возможно при увеличении хода поршня и диаметра цилиндра Д.
С увеличением Д уменьшается де. Например, в дизелях с неразделенной КС изменение Д от 50 до 80 мм приводит к снижению де с 350 до 260 г/(кВт ч), а при Д = 140 мм – до 175 г/(кВт ■ ч).
Уменьшение де с увеличением Д объясняется уменьшением относительной тепловоспринимающей поверхности КС. При этом уменьшается теплоотдача от газов в стенки КС, увеличивается температура в цилиндре к концу процесса сжатия, когда впрыскивается топливо, и улучшаются условия его воспламенения и сгорания. Кроме того, при увеличении Д увеличивается расстояние от центрально расположенной форсунки до стенок КС, что способствует мелкому распыливанию топлива и уменьшению образования жидкой пленки топлива на стенках.
В дизелях с Д = 400 мм и более с увеличением S/D значительно снижается де. Например, в дизелях с неразделенной КС и Д = 400 мм увеличение S/D от 1,0 до 1,5 приводит к уменьшению де на 15 г/(кВт ч).
Причина заключается в уменьшении поверхностей F, образующих КС, к полному объему цилиндра Va при увеличении Va из-за увеличения
S при Д = const. В рассмотренном случае увеличение S/D от 1 до 4 привело к уменьшению Fc/Va сО,53доО,15.В результате уменьшилась относительная теплоотдача в стенки КС. Изменение Vh при больших значениях этого параметра не оказывает существенного влияния на де.
В сравнении с дизелями с неразделенной КС, при разделенной КС намного больше теплоотдача в ее стенки, вследствие увеличенной площади Fc Однако на долю этого фактора приходится лишь небольшая часть увеличения де. В шесть раз больше потери энергии обусловлены тем, что во вспомогательных камерах при сгорании образуются большие количества СО и Н2, которые после поступления в основную КС медленно окисляются до С02 и Н20. В результате уменьшается степень отдачи энергии отчасти продуктов сгорания при ходе расширения.
Одна из причин повышения де при разделенных КС – увеличенная неравномерность распределения воздуха в КС. Вследствие этого, больше зон с недостаточным количеством воздуха при нормальном общем составе топливовоздушной смеси. В итоге – меньшие значения соотношений С02/С0 и Н20/ Н2 в продуктах сгорания.
При работе дизеля с неразделенной КС дымность ОГ изменяется в зависимости от угла опережения впрыскивания топлива. При прочих равных условиях эксперимента, когда угол опережения был уменьшен с 30 до 10° П.К.В., дымность, увеличилась с 2 до 3,5 единиц по шкале Bosch. Причина в том, что при уменьшении угла опережения уменьшилась температура пламени с 2400 до 2100 К. Следовательно, для уменьшения дымления желательно раннее впрыскивание топлива, а для уменьшения выброса NOx впрыскивание должно быть поздним. Однако, в последнем случае увеличивается де. Чтобы уменьшить и дымление и выброс NOx, поддерживая также низкий уровень де, необходимо снабдить дизель топливоподающей аппаратурой, которая обеспечит впрыскивание топлива с большой скоростью и малой продолжительностью. В этом случае угол опережения впрыскивания топлива может быть небольшим.
Для большой скорости впрыскивания топлива необходимо очень высокое давление начала впрыскивания. Экспериментально установлено, что оптимальное значение ге может быть получено при давлении 150 МПа. При росте давления с 50 до 150 МПа ге повышается на 28%, уменьшается дымность ОГ в 4,75 раза, выброс СН в 1,6 раза и выброс NOx в 8,1 раза.
Вследствие изменения условий смесеобразования и сгорания топлива в цилиндре при работе дизеля на различных скоростных и нагрузочных режимах, меняются количества выделяемых с отработавшими газами вредных компонентов. На рис. 5.4 приведена типичная картина эмиссии окислов азота судовым четырехтактным дизелем VASA 32 (фирма Vartsila) при работе по винтовой и нагрузочной характеристикам.
Из сопоставления кривых для одних и тех же нагрузок видно, что CNOx при работе на винт в среднем больше на 20%, чем при постоянной частоте вращения. Подобная картина характерна и для МОД.
Нагрузка, %
Рис. 5.4. Эмиссия окислов азота с отработанными газами судового СОД при работе на режимах нагрузочной (2) и винтовой (1) характеристик

5.7. Влияние конструктивных факторов топливной аппаратуры и рециркуляции газов на содержание окислов азота и экономичность
Наиболее ощутимый эффект по снижению вредных выбросов без снижения экономичности двигателя и повышения температурной напряженности дают изменения конструкции топливной аппаратуры. Так, фирма МАН – «Бурмейстер и Вайн» предлагает заменить существующие распылители форсунок на распылители, дающие низкое содержание NOx (low NOx).
Распылители имеют такую конструкцию, которая обеспечивает низкий удельный расход топлива с равномерной и низкой температурой и напряженностью деталей камеры сгорания.
Сопловый наконечник low NOx отличается от стандартного количеством, диаметром и расположением сопловых отверстий. Так, двигатель S50MC со стандартным распылителем имел 4 отверстия, диаметром 1,15 мм, а распылитель low NOx – 6 отверстий, диаметром 0,95 мм и измененные углы их расположения. Выбор количества, проходных сечений отверстий и углов осуществлялся вначале расчетным методом по программе оптимизации, а затем проводилась экспериментальная проверка на двигателе.
Относительно большой объем между распыливающими отверстиями и запорной иглой форсунки в стандартной конструкции имеет отрицательное влияние на образование частиц сажи и СН. Поэтому был разработан новый распылитель с уменьшенным объемом «мешочка», который составил около 15% от объема в обычной форсунке. Конструкция такой форсунки приводит к тому, что условия потока топлива вблизи распыливающих отверстий сопел аналогичны условиям потока в обычном распылителе, но меньший объем «мешочка» оказывает положительное влияние на количество вредных выбросов с выхлопными газами. Эта идея получила дальнейшее развитие в форсунке золотникового типа (см. рис. 3.60).
На рис. 5.5 показаны результаты испытаний различных типов двигателей со стандартными и новыми распылителями. Такая модернизация форсунок позволила снизить содержание NOx в выхлопных газах, для различных типов малооборотных двигателей фирмы МАН – «Бурмайстр и Вайн», от 10 до 25%. Все двигатели фирмы, за исключением двигателя L70MC, удовлетворяют требованиям IMO, но у них повышен допуск на удельный расход топлива с 3 до 5% при использовании новых распылителей.
Изменение величины допуска необходимо для покрытия проигрыша в удельном расходе топлива, который составляет менее 2%. Применение распылителей форсунок, обеспечивающих низкое значение
K90MC


NOx, потребовало также увеличения расхода воздуха, что должно приниматься во внимание при регулировке турбокомпрессора. Если модернизация двигателя с установкой сопел низкого NOx производится в эксплуатации, то может потребоваться перестройка турбокомпрессора, но это должно решаться для каждого конкретного случая.
г/кВт

0    5    10    15 20    25
Рис. 5.5. Эмиссия NOx малооборотных двигателей, стандартный распылитель; п – распылитель Low NOx – предельные значения по IMO

Значительное влияние на токсичность выхлопных газов оказывает фаза, продолжительность и форма впрыска. Оптимальный выбор этих параметров может осуществить аккумуляторная система впрыска топлива с электронным управлением (см. главу 3), что не удается выполнить в традиционной схеме с определенной формой топливной шайбы на распределительном валу.
У современных малооборотных двигателей оптимальная про/флжи-тельность впрыска составляет 18-20 градусов поворота коленчатого вала и максимальное давление сгорания достигается во второй половине этого периода. Для получения лучшего термического КПД и снижения токсичности выпускных газов топливо, впрыснутое после достижения максимального давления сгорания, должно подаваться и сгорать как можно быстрее.
В отличие от обычного насоса с кулачковым приводом, аккумулятор ная система впрыска с электронным управлением может иметь регулиру емый ход плунжера и подавать топливо под необходимым давлением и количеством, которое должно впрыскиваться при определенной нагрузке. Система может обеспечить как одиночный впрыск, так и двойной впрыск с варьированием впрыска по форме, фазам, продолжительности, давлению и т.п. (рис. 5.6).
Испытания, проведенные фирмой на исследовательском двигателе 4Т50МХ, показали, что традиционная система впрыска с распределительным валом является наилучшей в отношении удельного расхода топлива (рис. 5.7, б), но не является оптимальной с точки зрения содержания NOx. Система двойного впрыска повышает удельный расход топлива при
Мпа

– …. —J- , !
20 40 60 тс
20 40 60 тс
____ 1 1 У__
1 Т ■ -1-
0 20 40 60 тс 0 20 40 60 тс
Рис. 5.6. Подъем иглы форсунки и форма впрыска: 1 ~ подъем иглы форсунки;
2 -давление впрыска, а – традиционная с распределительным валом;
6, в, г- аккумуляторная с электронным управлением соответственно с нарастанием давления, при постоянном давлении и с двойным впрыском
мерно на 1 г/кВт ■ ч, но при этом снижает эмиссию на 20% (рис. 5.7, а). Таким образом, достигается компромисс между снижением NOx и возрастанием удельного расхода топлива.
Существенный эффект для снижения эмиссии NOx может быть достигнут при рециркуляции части отработанных газов из выпускной системы на всасывание центробежного компрессора. При этом уменьшается концентрация кислорода в смеси газов в цилиндре, возрастают теплоемкость и газовая постоянная рабочего тела и, как следствие, уменьшается температура газов в цилиндре при сгорании топлива. Оба фактора обусловливают уменьшение количества NOx, образующихся в цилиндре. Однако перепуск газов ведет к снижению коэффициента избытка воздуха при сгорании,
Рис. 5.7. Влияние формы впрыска на эмиссию NOx (а) и экономичность двигателя (б). 1 ~ при постоянном давлении впрыска; 2 – двойной впрыск;
3 – традиционная, с распределительным валом

поэтому такой способ применим, когда имеется достаточный запас по воздуху (например, на малых нагрузках). В дизелях, работающих на высокосернистых топливах, этот способ неприемлем, так как в отработанных газах, перепускаемых на всасывание, содержится значительное количество SOx. При наличии значительного количества паров воды в наддувочном воздухе будет происходить интенсивное образование серной кислоты в воздушном тракте и цилиндрах при продувке.
NOx, %о 1400-

Рис. 5.8. Влияние рециркуляции выпускного газа на эмиссию NOx малооборотных дизелей

Is з?)

Рециркуляция части отработанных газов, хотя и является эффективным средством уменьшения образования NOx (рис. 5.8), но очистка выпускного газа до того, как он смешивается с продувочным воздухом, сложна, а остаточные продукты процесса очистки: кислотные, грязевые и масляные образуют шлам, который трудно удалить. Кроме того, следы серной кислоты в очищенном выпускном газе могут привести к коррозии компрессора на стороне всасывания ТК и в воздухоохладителе. Поэтому система рециркуляции выпускных газов в данный момент не считается готовой к практическому применению на больших двухтактных двигателях.
5.8. Влияние вида топлива на токсичность выпускных газов
Одним из направлений решения задачи по предотвращению образования экологически опасных веществ при сгорании топлива является обеспечение его полного и интенсивного сгорания. В качестве технических решений, обеспечивающих эффективное сгорание традиционных высоковязких топлив, рекомендуется применение смеси топлив с пресной водой в виде водотопливной эмульсии (ВТЭ) и присадок, улучшающих сгорание топлив. Результаты многочисленных исследований и практический опыт применения ВТЭ позволяют четко представить положительный эффект, который в этом случае достигается.
При работе дизеля на полной эксплуатационной мощности в топливо вводится вода в количестве 8~20% , на долевых режимах работы дозирующее устройство обеспечивает повышение содержания воды.
Топливо, с введенной водой, подвергается гомогенизации с целью получения стабильной ВТЭ с глобулами воды в ней, примерно 5~6 мкм. Размеры образующихся при этом структурных (агрегативных) смолистоводяных систем, не превышают 1СМ2 мкм, что обеспечивает вполне удовлетворительную фильтруемость эмульсии фильтрами дополнительной очистки, установленными непосредственно перед дизелем. В случае, если система топливоподачи на участке до топливного насоса находится под атмосферным давлением (открытая система), температура подогрева ВТЭ не превышает 90~95°С, при избыточном давлении допускается температура выше 100°С (до значения, обеспечивающего необходимую вязкость эмульсии при впрыске). Механизм распыливания эмульсии существенно отличается от традиционного способа.
Для эффективного сгорания необходимо обеспечить быстрое испарение распыленных топливных капель в камере сгорания. Продолжительность испарения зависит от размера капли: чем больше капля, тем больше времени требуется для ее испарения. Дисперсность распыленного топлива в случае его применения в смеси с водой в виде ВТЭ резко возрастает, поскольку распыливание осуществляется в две фазы: при истечении через сопловые отверстия форсунки (традиционный метод); под действием «микровзрывов» капель в результате вскипания последних.
После первой фазы распыливания, капля (частица) ВТЭ представляет собой структурную систему, внутри которой находится одна или несколько глобул воды. В камере сгорания такая система подвергается подогреву. Под действием сил поверхностного натяжения эти системы удерживаются в первоначальном виде. Температура кипения воды примерно в 2 раза ниже температуры кипения топлива, поэтому удерживаемая в топливе глобула воды при подогреве капли (частицы) в конце концов в результате вскипания преодолевает силы поверхностного натяжения находящейся вокруг нее топливной оболочки («шубы») и взрывается, разбрызгивая эту оболочку на мельчайшие частицы распыливания. При этом резко увеличивается дисперсность распыливания топлива, что обеспечивает быстрое испарение топливных частиц и интенсивное и полное сгорание топлива. Кроме того, практически полностью предотвращается образование окиси углерода, снижается образование окислов азота и существенно уменьшается образование твердых частиц неполного сгорания топлива.
В целях дальнейшей интенсификации протекания рабочего процесса, сокращения периода задержки воспламенения и, таким образом, еще большего снижения образования окислов азота разработан способ совмещения двух фаз распыливания, когда промежуток времени между фазами уменьшен почти до нуля. Это достигается путем использования «эффекта вскипания» глобул воды в топливных каплях (частицах) сразу же после их образования при истечении ВТЭ через сопловые отверстия форсунки. Для того, чтобы это происходило, эмульсия, находящаяся при остаточном давлении (10-15 МПа) в трубопроводе (между насосом высокого давления и форсункой), подогревается до температуры 150“200°С. При подаче ВТЭ с такой температурой подогрева, под давлением 50_80 МПа через сопловые отверстия форсунки в камере сгорания происходит мгновенное вскипание глобул воды в распыленных каплях (частицах), т.е. образуются микровзрывы. При этом резко уменьшается период задержки воспламенения, интенсивное сгорание топлива происходит при отсутствии образования окиси углерода и минимальном образовании окислов азота. В результате интенсивного сгорания топлива уменьшается образование других вредных для окружающей среды веществ (твердых агломератов, сажи и др.), а также полностью исключается образование веществ вида СН.
На рис. 5.9 показано влияние процентного содержания воды по объему в топливе на содержание NOx в выхлопных газах. Приблизительно можно сказать, что каждый процент добавления воды в топливо снижает на процент эмиссию NOx, при этом экономические показатели дизеля особенно не ухуд-
“I—1—1—1—1—1—Г“
10 20 30 40

VH2O, %

50

Рис. 5.9. Влияние водотопливной эмульсии

ш а ЮТСЯ.    на эмиссию NOx
На рис. 5.10 показаны замеренные значения эмиссии на стационарном двигателе 12K80MC-S. Эти двигатели предназначены для использования эмульгированного топлива с добавлением воды до 50%. Из графиков следует, что достигнутые значения эмиссии значительно ниже значений, указанных в контракте на поставку двигателя, и соответствуют примерно 50% от предельных значений IMO для двигателей этого типа.


160 сл


350
50 60 70 80 90 100
50 60 70 80 90 100
Рис 5.Ю. Эмиссия стационарного дизеля 12K80MC-S 1 – контрактные значения; 2 ~~ достигнутые значения при работе на ВТЭ
Применение водотопливной эмульсии для снижения выбросов NOx является довольно популярным методом, требующим незначительной модернизации судовой системы топливоподготовки и модернизации системы топливоподачи (топливных насосов, форсунок, топливных шайб (кулачков) распределительного вала). На рис. 5.11 видно, что система топливоподготовки требует добавления одного элемента “ смесителя-го-

могенизатора 8, обеспечивающего однородную мелкодисперсную смесь тяжелого топлива и пресной воды 7 в требуемой пропорции.
Проведенные научно-исследовательские изыскания показали, что из всех способов предотвращения образования вредных веществ в дизелях наиболее универсальным является сжигание топлива в виде ВТЭ# причем этот способ хорошо подходит для судовых условий. При работе двигателя на ВТЭ (содержание воды в топливе 15-40%) в результате улучшения полноты сгорания, дымность ОГ снижается в 2~3 раза и на 20~30% сокращаются выбросы оксидов азота. Однако, на холостом ходу и при малых нагрузках дизеля, применение ВТЭ создает совокупный отрицательный эффект. Так, опыт использования ВТЭ в Северном морском пароходстве показал интенсивное коррозионное разрушение газовыпускного такта.
4

Рис. 5.77. Схема топливной системы подготовки водотопливной эмульсии.
1 ~ двигатель; 2 ~ вентиляционная труба; 3 – цистерна тяжелого топлива;
4 ~ топливо, подаваемое от центрофуг; 5 ~ цистерна дизельного топлива;
6 ~ топливоподкачивающие насосы; 7~подача пресной воды; 8 ~ гомогенезатор;
9 ~ циркуляционные насосы; Ю – подогреватель топлива; 77 – полнопоточный фильтр

На рис. 5.12 показано, какое влияние оказывают различные прямые методы и их комбинация на эмиссию NOx и экономичность дизеля. Результаты получены при испытании фирмой МАН – «Бурмейстер и Вайн» двигателя S70MC.
При комплектации двигателя золотниковыми форсунками, NOx снижается примерно на 20% и отмечается даже некоторое снижение удельного расхода топлива, приведенного к международному стандарту ISO. Внедрение комбинации прямых методов (см. позицию 3 рис. 5.12) приводит к 50%-ному снижению NOx, но расход топлива возрастает на 3 г/кВт • ч.
С помощью прямых методов (позиция 5)# можно достигнуть 80%-ного снижения NOx при снижении экономичности двигателя на 4 г/кВт – ч.
Таким образом, снижение токсичных выбросов первичными методами очень эффективно, но это достигается потерей некоторой экономичности двигателя.
gef г/кВт • ч
Рис. 5.12. Влияние первичных методов на эмиссию NOx и экономичность малооборотного дизеля. 1 ~ без внедрения методов; 2~ с золотниковой фосункой;
3 ~ золотниковая форсунка + водотопливная эмульсия + сниженное Ртах; 4 – золотниковая форсунка + водотопливная эмульсия +20% рециркуляция газов; 5 – золотниковая форсунка + водотопливная эмульсия + 20% рециркуляция газов + сниженное Ртах

Испытания среднеоборотного двигателя W6L46 итальянской фирмой Wartsila на водотопливной эмульсии Orimulsion (см. табл. 1.10) показали, что эмиссия NOx снижается на 20% по отношению к выбросам NOx при работе двигателя на тяжелом топливе (рис. 5.13). Однако, значительно увеличивается дымность и в два раза повышается содержание в выпускных газах содержание сажи и золы (частиц).
В связи с этим для снижения содержания
частиц в выпускных газах при работе двигателя на Orimulsion рекомендуется применять электростатические фильтры.
Результаты исследования на двигателе 1ЧН26/34 влияния содержания воды, скорости плунжера и продолжительности подачи ВТЭ на эмиссию NOx показаны на рис. 1.23.
В качестве альтернативы эмульгированным топливам может использоваться принцип прямого впрыска воды или чередующегося впрыска воды/топлива. Оба метода имеют то преимущество, что можно избежать увеличения задержки воспламенения при частичной нагрузке. Как хорошо известно, длительная задержка воспламенения ведет к резкому повышению давления, что вредно для состояния цилиндров, особенно для поршневых колец. Таким образом, при контроле задержки воспламенения су-
ществует больший потенциал снижения NOx при частичной нагрузке, однако с меньшим весовым фактором, чем в правилах IMO.
Объем воды, необходимой для данного снижения NOx, должен быть больше, чем для эмульгированного топлива, так как распределение воды менее равномерно, чем в эмульгированном топливе. Кроме того, оба метода требуют значительно больших модификаций конструкции двигателя и добавления внешних систем, поэтому эти методы менее целесообразны, чем хорошо зарекомендовавший себя метод эмульгирования топлива.
2,50

2,00

1,50

1,00

0,50

0,00

Рис. 5.13. Уровень эмиссии среднеоборотного двигателя при работе на тяжелом топливе и на Orimulsion; 1 – эмиссия NOx при 15% 02;
2 ~ дымность; 3 ~ частицы; А ~ работа на тяжелом топливе; Б ~ работа на Orimulsion

Наряду с рассмотренными вариантами интенсификации процесса сгорания топлива (совершенствование процессов распыливания, равномерное распределение и испарение топливных частиц) не менее эффективно применение многофункциональных присадок, обеспечивающих снижение образования вредных для окружающей среды веществ. В этом случае интенсификация процесса сгорания топлива достигается действием присадок в качестве донорно-акцепторных веществ, в процессе окисления углеводородов.
Применяют множество различных присадок, интенсифицирующих сгорание топлив, что хотя и способствует уменьшению образования в камере сгорания экологически опасных веществ, однако, не дает достаточных результатов в отношении защиты окружающей среды (особенно это касается окислов азота).
Решение данной задачи обеспечивается, если предотвратить или существенно уменьшить в процессе сгорания топлива образование химически активного азота. Как уже рассматривалось, химически активный азот в атомарном виде образуется при температуре выше 1500°С, при которой с электронных орбит начинается процесс срыва электронов. Одновременно с этим идет и процесс рекомбинации, т.е. захват свободных электронов атомами и молекулами азота.
Таким образом, в основе решения задачи уменьшения образования окислов азота лежит создание в камере сгорания условий по интенсификации процесса рекомбинации. Для этого необходимо, чтобы в камере сгорания находилось большое количество свободных электронов. В условиях, когда поток свободных электронов в результате их ухода через стенку камеры сгорания, становится менее плотным, процесс рекомбинации замедляется. Чтобы этого не происходило, нужно вместе с топливом в камеру сгорания ввести присадку, состоящую из химического вещества, которое при высокой температуре легко распадается с образованием большого количества свободных электронов, т.е. оно должно легко переходить в полуплазменное (или плазменное) состояние. В настоящее время на этом принципе действия разработаны и испытываются опытные образцы присадок, которые после их промышленного освоения будут рекомендованы к широкому применению в СДУ.
Рассмотренные способы и технические средства предотвращения образования экологически опасных для окружающей среды веществ в камере сгорания касались тех технических решений, которые широко применяют при использовании обычных товарных топлив и масел, поставляемых потребителю отечественными и зарубежными нефтеперерабатывающими компаниями.
Кроме рассмотренных направлений решения экологической проблемы, наиболее эффективно повышение эксплуатационных и экологических свойств самих горючесмазочных материалов.
Выбросы SOx обусловлены содержанием серы в топливе. Снизить этот выброс можно, снизив содержание серы в топливе путем очистки топлива или очисткой отработанных газов.
Несмотря на то, что очистка топлива от серы на перерабатывающих заводах ведет к его удорожанию, этот вариант, по-видимому, будет использоваться как основной. Это обусловлено тем обстоятельством, что удаление SOx из отработанных газов путем пропуска через устройства мокрой очистки (скрубберы) потребует очень больших капитальных вложений. Возникают также проблемы в связи с необходимостью хранения и сдачи на берег серной кислоты слабой концентрации (большие объемы жидкости потребуют достаточных емкостей), а следовательно, приведут к повышению эксплуатационных расходов.
Снижение в топливе содержания серы с имеющегося максимума 5% до более низкого реального значения не потребует сложных технических решений. Поэтому этот метод, обеспечивающий снижение выбросов SOx, представляется наиболее целесообразным и экономически обоснованным.
При работе двигателя на двойном роде топлива «жидкое топливо -газ» или в случае использования испаряющихся легких компонентов сырой нефти – VOC при погрузке ее в танки челночных танкеров важным требованием к двухтопливной системе является способность работать при любом соотношении между жидким топливом (запальным) и газом (основным), см. раздел 2.4. Эти требования удовлетворяются с помощью современной компьютерной системы управления двигателем, которая оптимизирует закон впрыска VOC.
Посредством этой системы фазы впрыска VOC могут свободно управляться соответственно впрыску запального жидкого топлива, чтобы адаптироваться к конкретному режиму горения VOC.
Для испытания этой концепции реконструированы два двигателя 6L55GUCA, мощностью 6600 кВт для работы с двухтопливной системой
на челночном танкере, при использовании компьютерной системы управления Mechatronic. Эта система позволяет управлять впрыском VOC таким образом, что максимальное давление в цилиндре и закон тепловыделения на определенном режиме остаются фактически неизменными, независимо от соотношения между количеством запального топлива и количеством VOC. Это позволило обеспечить эмиссию NOx в двухтопливном режиме работы двигателя ниже, чем при работе только на жидком топливе (рис. 5.14).
Рисунок показывает, что при этом эмиссия NOx мало зависит от величины нагрузки и достигает максимального значения на режиме максимальной мощности, но не превышает предельного значения по IMO (см. рис. 5.5) для данного типа двигателя.
Рис. 5.74. Эмиссия NOx двигателя, работающего на двойном топливе «жидкое ~ VOC»

В дизелях основную часть периода сгорания составляет фаза диффузионного сгорания. В диффузионном пламени образование и окисление сажи является частью процесса сгорания.
Экспериментально установлено, что при сгорании этилена скорость образования сажи очень мала, если в зоне пламени, непосредственно окружающей поверхность горящего топлива, температура меньше 1900 К. При 2050 К начинается ускорение образования сажи, вследствие крекинга при нагревании богатой смеси. Максимальное количество сажи наблюдается при 2220 К. С дальнейшим повышением температуры, при наличии 02, скорость окисления сажи начинает все более превышать скорость ее образования, вследствие чего количество сажи в продуктах сгорания быстро уменьшается. При температуре более 2400 К количество сажи очень незначительно. На образование сажи влияет также следующее явление.
Если газообразные продукты сгорания насыщены окисью углерода, то снижение температуры приводит к конденсации углерода. Склонность к этому явлению очень мала у этилового и метилового спирта. В эксперименте при сгорании смеси, состоящей из 20% метилового спирта с 80% по объему дизельного топлива, концентрация сажи в продуктах сгорания составила 0,67-0,72 г/м3, а при сгорании чистого дизельного топлива -1,12-1,37 г/м3.
Улучшение экологических показателей легких высокооборотных дизелей
Существует большой комплекс мероприятий, позволяющих снизить уровни дымности Д и токсичности Тотработанных газов (ОГ). Однако, возможность применения и эффективность любого мероприятия определяются особенностями конструкции и рабочего процесса конкретного типа дизеля.
Пренебрежение этим обстоятельством может на практике привести к тому, что снижение Л и Убудет достигнуто ценой недопустимого ухудшения других важных качеств двигателя – его топливной экономичности, надежности и срока службы.
Высокая степень доводки конструкции и рабочего процесса дизелей типа ЧН16/17 и ЧН18/20, характеризующихся высокой плотностью компоновки и удельной массой менее 2,5 кг/кВт, существенно усложняют решение указанной задачи традиционными способами. В связи с этим, была предпринята попытка улучшить протекание рабочего процесса дизеля путем применения в качестве топлива высококонцентрированной водотопливной эмульсии (ВТЭ).
Результаты исследований на других типах дизелей далеко не однозначны. Во всех работах отмечается увеличение времени задержки самовоспламенения, некоторое увеличение жесткости процесса (dp/dcp), снижение дымности ОГ. В то же время, в части максимального давления сгорания ртах# экономичности, выбросов СО и NOx имеются факты как улучшения, так и ухудшения указанных параметров. Величины получаемых эффектов по снижению уровней Д и Тне превышают 50% при оптимизированном по экономичности содержании воды в ВТЭ от 10 до 30% по массе. При более высоких концентрациях воды большинство исследователей сталкивалось с неустойчивой работой дизеля.
Применявшиеся стабилизаторы и диспергаторы ВТЭ позволяли получать, как правило, крупнодисперсные (4~12 мкм) ВТЭ с низкой устойчивостью.
Основной причиной улучшения протекания рабочего процесса большинством исследователей признается явление «микровзрыва» и, как следствие, вторичное распыливание капелек топлива.
В то же время известно, что при других способах подачи воды в цилиндр, например при непосредственном впрыскивании или при подаче ее на всасывание, были достигнуты значительно лучшие результаты, чем при применении ВТЭ при соотношениях дцв/дцт > 1, где дцв ~ цикловая подача воды, дцт ~ цикловая подача топлива.
Указанные обобщения позволили сделать вывод о необходимости создания высокостабильных мелкодисперсных ВТЭ, требующих подбора эффективного диспергатора и стабилизаторов.
Приготовление ВТЭ осуществлялось в механическом диспергаторе, позволяющем за один проход смешиваемых компонентов обеспечить высокую дисперсность при минимальных удельных затратах энергии.
Относительно невысокая частота вращения (2000-3000 мин 1), малые габариты и возможность изменения дисперсности за счет оптимизации конструктивных элементов позволяют осуществлять привод диспер-гатора как от автономного электромотора, так и (при необходимости) непосредственно от дизеля.
Стабилизация ВТЭ осуществлялась применением различных поверхностно-активных веществ (ПАВ). При этом использовались как однокомпонентные (маслорастворимые) ПАВ, так и двухкомпонентные стабилизаторы. Тогда один компонент растворялся в топливе, а другой (водорастворимый ПАВ) – в воде.
Схема приготовления эмульсии приведена на рис. 5.15. Дозирование топлива и воды проводилось ротаметром, а уточнение состава эмульсии " при помощи нефтеденсиметров с последующим расчетом процентного содержания воды по массе.
Рис. 5.15. Схема дозирования компонентов и приготовления ВТЭ: 1 – дизель, 2, 3, 4, 7′ ~ баки эмульсии, топливный, Н20. промежуточный; 5 – ротаметр;
6 ~ диспергатор

Связанные статьи:
No related posts


Хостинг

VPS - Хостинг

аренда сервера

Dedicated server

Регистрация доменов

Русские темы для WordPress. Бесплатные шаблоны для блогов WordPress на любой вкус

В этой категории
Июнь 2018
M T W T F S S
« May   Jul »
 123
45678910
11121314151617
18192021222324
252627282930