Метод расчета содержания окислов азота в отработавших газах

advertisement
На правах рукописи
САПОЖНИКОВ ЭДУАРД ВИКТОРОВИЧ
МЕТОД РАСЧЕТА СОДЕРЖАНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА В
ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ
ДИЗЕЛЕЙ ФЛОТА РЫБНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Специальность 05.08.05 – судовые энергетические установки и их
элементы (главные и вспомогательные)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Калининград - 2011
3
Общая характеристика работы
Актуальность работы
Важнейшей проблемой современности является снижение уровня
токсичности
отработавших
газов
судовых
дизелей.
Наиболее
токсичными компонентами отработавших газов являются окислы
азота.
В настоящее время со стороны международных организаций
(IMO) значительно возросли требования к выбросу в составе
отработавших газов ДВС различных токсических веществ: СО, СН
(С20Н12), СО2,
NОх, бенз--пирен и др. При этом постоянно
разрабатываются и активно внедряются в практику новые, более
жесткие
нормы
выбросов
токсичных
веществ
в
атмосферу
двигателями внутреннего сгорания, в том числе и судовыми дизелями.
По
этой
причине
правительством
Российской
федерации
поставлена задача повышения уровня подготовки специалистов по
предотвращению загрязнения атмосферы с судов, а российским
учёным - ускорить разработку действенных мер и рекомендаций по
снижению токсичности отработавших газов судовых дизелей.
Чтобы ограничить выбросы в атмосферу токсичных веществ с
судов необходимо:
- иметь простой и достаточно точный расчетно-методический
аппарат, позволяющий оценить технической состояние элементов
дизеля, влияющих на величину эмиссии;
-
иметь
достоверность
измерительную
измерений
аппаратуру,
концентрации
обеспечивающую
окислов
азота
в
отработавших газах и теплотехнических характеристик дизелей.
Моделированию
процессов
смесеобразования,
сгорания
и
образования токсичных веществ в судовых ДВС при сгорании
углеводородных топлив посвящены исследования ряда ведущих
4
ученых России. Методологической базой для решения этой научной
задачи являются труды видных российских и зарубежных ученых:
Лышевского А.С., Одинцова В.И, Звонова B.A., Николаенко A.B.,
Новикова Л.А., Толшина В.И, Смайлиса В.И., Иванченко А.А. и
других авторов, разработавших теоретические модели образования
вредных веществ, системы их оценки и комплексного снижения.
Однако, приемлемой модели, которая бы позволяла учитывать в
явном виде влияние на выбросы окислов азота конструктивных и
эксплуатационных факторов, нет.
между
необходимостью
Т.е. существует противоречие
снижения
эмиссии
окислов
азота
и
возможностями известных моделей для ее расчета. Эти модели
сложны
в
применении
и
содержат
значительное
количество
эмпирических коэффициентов. Следовательно, тема диссертационной
работы является актуальной.
Указанное
важную
выше
противоречие
научно-техническую
позволило
задачу
сформулировать
диссертационного
исследования, как разработку нового метода расчета содержания
окислов азота в отработавших газах судовых среднеоборотных
дизелей.
Целью диссертационного исследования является разработка
простого и приемлемого для практики метода расчета содержания
окислов азота в отработавших газах судовых среднеоборотных
дизелей, учитывающего в явном виде влияние конструктивных и
эксплуатационных
факторов
и
не
содержащего
эмпирических
коэффициентов.
Задачами данного исследования являются:
- анализ существующих моделей процессов образования окислов
азота в дизелях с позиций возможности их использования для
решения поставленной научной задачи;
5
- выбор математического аппарата для разработки требуемой
математической модели на основе анализа известных моделей
процессов распыливания, смесеобразования и сгорания;
- разработка математической модели для количественной оценки
выбросов окислов азота eNOx в составе отработавших газов судовых
дизелей, учитывающей в явном виде влияние ряда конструктивных и
эксплуатационных факторов;
- разработка методики расчета эмиссии окислов азота в зависимости
от
влияния
конструктивных,
эксплуатационных
факторов
и
ухудшения технического состояния дизеля;
- экспериментальная проверка адекватности разработанной модели с
учетом влияния нагрузки дизеля, ухудшения технического состояния
систем наддува и газообмена на содержание окислов азота в
отработавших газах.
Объектом исследования являются среднеоборотные судовые
дизели, наиболее часто используемых в качестве главных и
вспомогательных двигателей на судах рыбопромыслового флота.
Предмет исследований – математические модели рабочих
процессов
и
модели
образования
окислов
азота
в
судовых
среднеоборотных дизелях, учитывающие влияние конструктивных
параметров, технического состояния и условий эксплуатации с целью
ограничения величины эмиссии окислов азота в окружающую среду.
Методы исследований: методы анализа; системный подход;
математическое моделирование рабочего процесса судового дизеля с
учетом основных законов термодинамики; методы физического
подобия и др.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель, позволяющая оценивать величину
выбросов окислов азота в составе отработавших газов судовых
среднеоборотных дизелей с использованием показателей: качества
6
процесса распыливания (КТ), эффективности использования камеры
сгорания (КV), концентрации кислорода на поверхностях топливных
струй (Ко2).
2. Методика расчета величины удельного выброса окислов азота
еNOx на основе математической модели учитывающей влияние
конструктивных и эксплуатационных факторов.
Научная
новизна
результатов,
выносимых
на
защиту,
заключается в том, что:
- впервые для расчета эмиссии окислов азота использованы
показатели,
характеризующие
качество
протекания
процессов
распыливания, смесеобразования и сгорания, применяемые при
исследовании энергетических
характеристик рабочего процесса
дизеля;
- разработана новая математическая модель, позволяющая
определять величину эмиссии окислов азота при сгорании топлива,
отличающаяся от известных возможностью учета в явном виде
влияния конструктивных и эксплуатационных факторов (количества и
диаметра сопловых отверстий форсунки, параметров топливоподачи,
параметров
характеристик
рабочего
тела
топлива,
в
частоты
цилиндре,
вращения
физико-химических
коленчатого
вала,
геометрических параметров цилиндра) и внешних условий.
Теоретическая
значимость
для
эксплуатации
судовых
двигателей внутреннего сгорания состоит в разработке новой
математической модели, позволяющей определять величину эмиссии
окислов азота при сгорании топлива, учитывающей в явном виде
влияние конструктивных, эксплуатационных факторов и внешних
условий.
Практическая ценность результатов исследования заключается
в разработке методики, позволяющей, в отличие от известных
методик, определять предпочтительные режимы работы ДВС с
7
допустимым или наименьшим количеством выбросов окислов азота
еNOx в атмосферу и допустимой степенью износа элементов топливной
аппаратуры, систем наддува и газообмена. При этом количество
эмпирических коэффициентов сокращено до 1, а используемый
коэффициент является постоянным для группы среднеоборотных
дизелей. Поэтому нет необходимости в постановке сложных
экспериментов для их определения.
Результаты работы внедрены:
- в организации «ЛУКОЙЛ-Калининградморнефть»;
- в учебном процессе для исследований экологической безопасности
судовых дизелей при выполнении дипломных работ;
- в рабочей программе дисциплины «Предотвращение загрязнения
окружающей среды».
Достоверность
и
обоснованность
научных
результатов
определяется корректным выбором методологической базы, границ
исследований, ограничений и допущений, подтверждается хорошей
сходимостью расчетных и экспериментальных значений эмиссии
окислов азота, максимальное расхождение которых не превышает 7%.
Инструментальная точность измерений обеспечивалась высокими
возможностями
применяемого
измерительно-диагностического
комплекса «Дизель-Адмирал» и газоанализатора ГИАМ-27-04.
Апробация работы. Основные положения диссертационной
работы были доложены:
- на международных научно-технических конференциях в г.
Калининграде, в БГАРФ в 2006, 2007, 2008, 2009 годах;
-
на
международной
научно-технической
конференции
«Двигатели 2008» в г. Хабаровске;
-
на
межвузовских
научно-технических
конференциях
аспирантов, соискателей и докторантов в Калининграде, в БГАРФ в
2009-10 годах;
8
-
на
совместном
заседании-семинаре
кафедр:
судовых
энергетических установок, холодильной криогенной техники и
кондиционирования, электрооборудования и автоматизации судов,
автомобильного транспорта 26.10.2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных
трудов, из них 1 - в издании, рекомендуемом ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4
глав с выводами по каждой главе, заключения, содержит 174
страницы машинописного текста, 10 таблиц, 38 рисунков и списка
использованной литературы из 159 наименований.
Содержание работы:
Во введении раскрыта проблема, связанная с токсичностью
судовых дизелей и влияющая на экологию, обоснована актуальность
работы, определены основные цели, задачи и предмет исследования,
сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе на основании опубликованных источников
изложено следующее:
- влияние окислов азота на окружающую среду и ограничения,
принятые
международными
организациями
и
российским
законодательством по допустимой величине выбросов окислов азота в
атмосферу;
- методы измерения концентраций и расчета величин выбросов
окислов азота в составе отработавших газов;
- основные направления исследований по снижению величины
выбросов окислов азота;
- механизм образования окислов азота и факторы, влияющие на
интенсивность их образования.
Образование
окислов
азота
в
камере
сгорания
дизеля
обусловлено наличием кислорода и азота в воздушном заряде и
топливе, высокими температурами в зонах расслоенного заряда
9
(воздушно-топливной
среднемассовая
смеси).
температура
В
в
период
цилиндрах
сгорания
(в
топлива
зависимости
от
конструктивных особенностей ДВС) достигает 1500÷1800К, а в зоне
сгорания - 2600÷2800К. Чем выше температура в зоне сгорания и
продолжительнее процесс сгорания, тем больше образуется окислов
азота.
Интенсивность их образования зависит от качества распыливания
топлива, его распределения в объеме камеры сгорания, величины
турбулентности воздушного заряда и величины воздушно-топливного
отношения α1 в смеси.
В
период
эксплуатации
дизеля
происходит
ухудшение
технического состояния его элементов и внешних условий, влияющих
на протекание рабочего процесса в цилиндрах и изменение
параметров его работы:
- износ элементов топливной системы высокого давления
(ТСВД), цилиндро-поршневой группы, агрегатов турбонаддува;
- загрязнение газовыпускной системы;
- изменение давления, относительной влажности и температуры
воздуха, температуры забортной воды и т.д.;
Кроме этого, производится бункеровка топливами с различными
физико-химическими характеристиками.
При износе элементов ТСВД снижается давление топлива в
форсунке. При ухудшении технического состояния системы наддува,
газообмена,
элементов
цилиндро-поршневой
группы
снижается
давление воздуха в момент начала сжатия и его расход.
С уменьшением массы воздуха, поступающего в цилиндры, и
давления топлива в форсунке ухудшается протекание процессов
топливоподачи, распыливания,
вследствие
чего
увеличиваются
смесеобразования и сгорания,
продолжительности
задержки
воспламенения и сгорания. Возрастают температуры рабочего тела в
10
цилиндре и, как следствие, скорость образования окислов азота и их
количество.
Во второй главе проведено обоснование первого научного
результата на основе анализа исследований по теории образования
окислов азота и существующих методов расчета величины их
выбросов в атмосферу.
Сложность процесса сгорания и образования окислов азота
обусловило
разработку
различных
подходов
к
их
расчетам.
Современные теории и модели образования окислов азота в
цилиндрах
дизелей
исследуют
процессы
в
2-х
основных
направлениях.
В первом - рассматриваются модели, основанные на численном
решении систем дифференциальных уравнений и учитывающие
кинетические процессы при изменении отдельных действующих
факторов. К ним относятся методы профессоров В.А.Звонова,
В.П.Смайлиса,
А.А.Иванченко;
модель
фирмы
«Вяртсиля»,
модернизированная в ГМА им. С.О.Макарова, метод Л.А.Новикова.
Во втором – используются математические модели, отражающие
процессы
тепло-
и
массообмена.
Это
методы
профессоров
А.В.Николаенко и В.И.Толшина.
Все модели процессов образования окислов азота достаточно
полно
отражают
физико-химические
взаимодействия
активных
веществ, позволяют рассчитать выход конечных продуктов. Однако
они не содержат в явном виде конструктивных и эксплуатационных
факторов, а переход к ним сложен и требует использования большого
количества эмпирических коэффициентов.
В результате анализа выполненных работ установлено, что в
настоящее
время
отсутствуют
методы
расчета
локальных
концентраций топлива и распределения температур в объеме камеры
сгорания.
11
Выводы
по
анализу
определили
направление
данного
исследования на построение новой модели расчета содержания
окислов азота в отработавших газах, в которой бы в явном виде
учитывалось влияние ряда конструктивных и эксплуатационных
факторов, содержалось меньшее количество экспериментальных
данных и эмпирических коэффициентов.
В процессе поиска решения были исследованы известные модели
распыливания, смесеобразования и сгорания с целью использования
положенного в их основу принципа для последующего перехода от
математического
описания
процессов
к
количественным
характеристикам выбросов окислов азота в составе отработавших
газов.
Проведен
анализ
исследований
процессов
распыливания,
смесеобразования и сгорания топлива в дизелях по моделям,
разработанным
профессорами
Б.М.Гончаром,
И.И.Вибе,
Ю.Я.Фоминым, А.С.Лышевским, Н.Ф.Разлейцевым, В.И.Одинцовым
и другими авторами.
Данный анализ позволил определить совокупность основных
конструктивных
и
эксплуатационных
факторов,
влияющих
на
скорость и продолжительность процесса сгорания и, следовательно,
на скорость образования окислов азота и их количество.
Из рассмотренных моделей процесса сгорания предпочтение
отдано
является
модели
профессора
наличие
в
В.И.Одинцова.
расчетных
Ее
преимуществом
уравнениях
параметров,
характеризующих влияние конструктивных и эксплуатационных
факторов. При этом для расчетного исследования любого типа дизеля
не
требуется
экспериментального
определения
каких-либо
коэффициентов, что согласуется с принятыми требованиями к
разрабатываемой модели.
12
В
качестве
обобщенных
показателей
качества
процессов
топливоподачи, распыливания и смесеобразования приняты:
- КТ - показатель скорости изменения поверхности топливной
струи при топливоподаче, равный отношению площади поверхности
топливных струй к массе содержащегося в них топлива в период
топливоподачи:
КТ 
FТС
g Ц  в пр. .
(1)
- Ко2 - показатель концентрации кислорода в камере сгорания,
пропорциональный
средней
скорости
поршня,
температуре
и
давлению рабочего тела;
КV
-
показатель,
-
характеризующий
эффективность
использования камеры сгорания:
КV 
VТС
VКС
(2)
Для расчета Кт, Ко2 и Кv используем расчетные зависимости из
принятой модели сгорания профессора В.И.Одинцова:
1, 42
 
КТ   сп 
 сэ 
1, 05
 dсп 
 
 dсэ 
 Р fп  Рцп 


Р Р 
fэ
цэ


0, 71
1, 05
 Тп 


 Тэ 
э 
 
п 
0, 37
 п 
 
 э 
0, 32
РцэТ цп J сп gцэ tg n (1/ cos  n  tg n )

PцпTцэ J сэ gцп tg э (1/ cos  э  tg э )
(3)
Ко2 
Рсс.  Рmax . П
Рсс.  Рmax . Э

К V   сп
  сэ



2 ,13
 d сп

 d сэ



1, 575
 1П  инд. П  впр.. Э


 1Э  инд.Э  впр.. П
 Р fп  Рцп 


Р Р 
fэ
цэ


1, 065
 nП

 nЭ
  впр.п


 впр.э




1, 5



0, 2
 VфП  VЭ

V V
 фЭ П

  Тп
  Тэ



1, 575




э

 п
0, 2



  zП  0,5 впр. П

  
впр.Э
 zЭ
0 , 555
 1п

 1э



0 , 48
1, 6

 (4)


 Рцэ 


P 
 цп 
 Т цп  tg  п Vеэ



 Т  tg 2  V
еп
э
 цэ 
(5)
2
Продолжительность
процесса
сгорания
вычисляется
по
формуле:
13
 zП

  zЭ  сЭ
  сП



Рсс.  Рmax . Э
Рсс.  Рmax . П
1, 42

 d сЭ

 d сП



1, 05
 Р fЭ  РцЭ

Р Р
цП
 fП




0 , 71
  ТЭ

  ТП



1, 05
Э

 П



0 , 37
Т цЭ tg Э (1 / cos  Э  tg Э )  инд.Э  1Э




Т цП tg П (1 / cos  П  tg П )  инд. П  1П
 Э

 П
n
  Э
 nП






0 , 32
J сЭ  g цП
J сП  g цЭ

(6)
0, 2
 К V0, 2
Где μс - коэффициент расхода форсунки;
μ - динамическая вязкость топлива;
μ1 - динамическая вязкость среды;
σ - коэффициент поверхностного натяжения топлива;
ρТ - плотность топлива;
dс - диаметр сопловых отверстий форсунки;
Jс - количество сопловых отверстий в форсунке;
gц - цикловая подача;
γ - угол конуса топливной струи;
τвпр. - время впрыскивания топлива;
τинд. - время задержки воспламенения топлива;
τz - длительность процесса сгорания;
Рц - среднее давление рабочего тела в период сгорания;
Рmax – максимальное давление цикла;
Рf - среднее давление топлива в форсунке;
Рсс - давление сжатия при наличии сгорания;
Тц - средняя температура рабочего тела в цилиндре;
α1 - воздушно-топливное соотношение при сгорании
n - число оборотов коленчатого вала;
V - объем камеры сгорания.
Необходимые параметры рабочего цикла для расчета КТ, Ко2,
КV и τz могут быть получены расчетом или прямым измерением в
процессе эксплуатации дизеля.
В третьей главе изложено получение второго научного
результата с описанием принципа построения математической модели
14
на основе принятой модели сгорания, учитывающей влияние
действующих факторов на процесс сгорания топлива в цилиндрах
дизеля и образование окислов азота. За основу модели принято
следующее:
-
процесс
сгорания
протекает
по
разветвленной
схеме,
предложенной академиком Н.Н.Семеновым;
-
процесс
сгорания
делится
на
3
периода
(задержки
воспламенения, сгорания в период топливоподачи и сгорания после
окончания топливоподачи);
- сгорание в период топливоподачи происходит на поверхностях
топливных струй с одновременным образованием окислов азота;
- сгорание топлива после окончания процесса топливоподачи
протекает в макрообъемах камеры сгорания, пропорциональных
объему несгоревшего топлива в топливных струях с одновременным
образованием окислов азота;
- за расчетный показатель в модели принята величина удельного
выброса
еNOxП
количество
-
окислов
азота,
выделяемое
с
отработавшими газами, отнесенное к единице мощности;
-
количество
пропорционально
образующихся
изменению
окислов
качества
азота
обратно
распыливания
топлива,
концентрации кислорода и эффективности использования камеры
сгорания.
Т.е. чем больше произведение КТ·КО2·КV , тем короче процесс
сгорания и образуется меньшее количество окислов азота. Т.е.:


е NOxП
 К Т  К О2  К V  А
е NOxЭ
Где
еNOxП и еNOxЭ -
(7)
удельные выбросы окислов азота с
отработавшими газами дизелей, относящиеся соответственно к
исследуемому «П» и базовому «Э»
ДВС (или исследуемому и
базовому режимам одного и того же двигателя);
15
А – эмпирический коэффициент, равный 1,666. Эта величина
постоянная для ряда среднеоборотных дизелей.
Правая часть уравнения представляет собой часть модели
сгорания, разработанной проф. В.И.Одинцовым, в виде произведения
показателей ВСДЕ и КV:
1, 42
 
В   сП 
 сЭ 
 dсП

 dсЭ
C
1, 05



 Р fП  РцП 


Р Р 
цЭ 
 fЭ
0, 71
 ТП

 ТЭ
1, 05



 Э 



 П
0, 37
 П 



 Э
0, 32

РцЭТ цП J сП gцЭ
PцПTцЭ J сЭ gцП
tg П (1 / cos  П  tg П )
;
tg Э (1 / cos  Э  tg Э )


Д  инд. П в пр.Э
 инд.Э  в пр. П
(9)
  zП  0,5 в пр. П

   0,5
в пр.Э
 zП

Е  6,908 1П
1Э
 Рсс. П  Рmax . П

 Pсс.Э  Рmax .Э
(8)
1, 6







(10)
0,5
(11)
Объединим показатели В,С,Д,Е в правой части уравнения и
получим требуемую расчетную модель:

еNOxП  А  В  С  Д  Е  КV0, 2

(12)
Методика использования модели предполагает:
- на этапе разработки дизеля достаточно задаться нормируемой
величиной эмиссии окислов азота NOx, затем подобрать необходимые
конструктивные параметры дизеля в соответствии с разработанной
моделью совместно с расчетом рабочего процесса.
- в эксплуатации для каждого из типоразмеров судовых дизелей
проводится
предварительный
расчет
влияния
каждого
из
эксплуатационных факторов по разработанной модели совместно с
расчетом рабочего процесса на эмиссию окислов азота NOx.
Результаты такого расчета аппроксимируются соответствующими
уравнениями. Затем для
судов, оборудованных измерительно-
диагностическими комплексами, назначаются диапазоны допустимого
16
отклонения каждого из действующих факторов при индивидуальном
или совместном влиянии.
Для
судов,
не
имеющих
современных
измерительно-
диагностических комплексов, оценка производится по параметрам
рабочего процесса в цилиндрах дизеля и системе наддува.
В четвертой главе изложены результаты экспериментальных
исследований, выполнено сравнение расчетных и экспериментальных
значений
эмиссии
окислов
азота
на
режимах
нагрузочных
характеристик для двигателей Ч17,5/24, 6ЧН18/22 (установленных в
лаборатории
академии
ДВС кафедры
рыбопромыслового
производственных
условиях
СЭУ Балтийской
государственной
флота),
двигателя
в
организации
6ЧН20/24
(в
«ЛУКОЙЛ-
Калининградморнефть»).
При проведении экспериментов измерялись: расходы топлива
и воздуха, используемого в рабочем процессе; эффективная мощность
для каждого режима, параметры работы двигателя, концентрация
окислов азота в отработавших газах для каждого режима работы.
Для измерения теплотехнических параметров, параметров
процессов топливоподачи и сгорания применялась измерительнодиагностическая система «Дизель-Адмирал». Величины изменения
давлений в цилиндрах дизелей и топливной аппаратуре совместно с
другими параметрами обрабатывались на ПЭВМ.
Эксперименты проводились как при неизменном техническом
состоянии элементов систем дизелей, так и при их изменении.
Изменялись:
степени
загрязненности
воздушных
фильтров
и
газовыпускной системы соответствующей регулировкой положения
воздушной заслонки на входе воздуха в турбокомпрессор и вентиля на
газовыпускном
трубопроводе.
Снижение
количества
воздуха,
подаваемого в цилиндры дизеля, и увеличение загрязненности
17
газовыпускной системы приводило к увеличению содержания окислов
азота в отработавших газах.
По измеренным концентрациям (с помощью газоанализатора
ГИАМ-27-04) рассчитаны величины удельных выбросов окислов
азота,
выделяемых
в
атмосферу
с
отработавшими
газами
среднеоборотного двигателей Ч17,5/24 и 6ЧН18/22 в зависимости от
влияния эксплуатационных факторов.
Для расчета величин удельных выбросов исследуемого дизеля
в качестве эталонного двигателя принят двигатель Ч17,5/24 с
известными параметрами.
Сравнение расчетных и экспериментальных величин удельных
выбросов в зависимости от индикаторной мощности представлено на
рис. 1,2.
Рис. 1 - Экспериментальная и расчетная величины удельных
средневзвешенных выбросов двигателя Ч17,5/24
Как видно из приведенных данных сходимости расчетных и
экспериментальных значений удельных выбросов дизелей Ч17,5/24 и
6ЧН18/22
удовлетворительные.
При
оценке
сходимости
использовался критерий согласия Пирсона.
18
Рис. 2 – Экспериментальная и расчетная величины удельных
выбросов двигателя 6ЧН18/22
Данные эксперимента по определению влияния воздушнотопливного
соотношения
(изменение
величины
коэффициента
избытка воздуха при сгорании ) на образование окислов азота
представлены на рис.3.
Рис. 3 – Расчетные (р)
и экспериментальные (э) значения
выбросов окислов азота еNOx двигателя ЧН18/22 при изменении α.
На рис. 4 показаны граничные условия работы дизеля по
нагрузочной характеристике при допустимых количествах выбросов
окислов азота а атмосферу с отработавшими газами на разных
режимах.
19
Рис. 4 - Области значений выбросов еNOx дизелем 6ЧН18/22 для
различных условий работы:
еNOxР - кривая выбросов при удовлетворительном техническом
состоянии дизеля;
еNOx
max
– кривая выбросов при нарушениях в работе систем
дизеля;
еNOx min – предполагаемая кривая выбросов при использовании
методов их снижения.
Пространство, ограниченное двумя пунктирными кривыми
еNOx.max и еNOx.min , характеризует пределы изменения величин удельного
выброса окислов азота при различной нагрузке и состоянии двигателя
6ЧН18/22
и
возможности
снижения
еNOx
при
применении
соответствующих мероприятий:
- оптимизации процессов топливоподачи, смесеобразования,
сгорания;
- улучшением качеств используемого топлива;
- применением водотопливных эмульсий и т.д.
Проведен расчет влияния характеристик топлива (плотности,
коэффициента поверхностного натяжения, динамической вязкости) на
образование окислов азота.
20
Удовлетворительная
экспериментальных
коэффициента
сходимость
зависимостей
А=1,666
в
расчетных
получена
формуле
(12)
при
для
и
значении
всех
режимов
исследованных дизелей.
Заключение:
1. Выполнен анализ существующих моделей расчета эмиссии окислов
азота и установлено, что методы сложны в применении, содержат
эмпирические коэффициенты и не учитывают в явном виде влияние
действующих факторов или предполагают переход к ним сложным
путем.
2. Разработана
отработавшими
модель
расчета
газами,
эмиссии
отличающаяся
окислов
от
азота
с
существующих
возможностью учета влияния износа элементов дизеля: топливной
системы высокого давления, цилиндро-поршневой группы, систем
наддува и газообмена. В модели учтено влияние внешних факторов:
барометрического давления, относительной влажности и температуры
воздуха,
температуры
забортной
воды,
физико-химических
характеристик топлива. Впервые при разработке математической
модели расчета эмиссии окислов азота совместно рассматривались
процессы
топливоподачи,
распыливания,
смесеобразования
и
сгорания.
3. Разработана
методика
применения модели для
ограничения
эмиссии окислов азота в составе отработавших газов. На этапе
разработки дизеля достаточно задаться требуемой величиной эмиссии
NOx, затем подобрать необходимые конструктивные и параметры. В
эксплуатации применение модели сводится к расчету эмиссии NOx
для каждого типоразмера дизеля с разработкой аппроксимирующих
уравнений, учитывающих влияние действующих факторов.
4. Проведена экспериментальная проверка работоспособности и
адекватности разработанной модели на следующих типоразмерах
21
судовых среднеоборотных дизелей: Ч17,5/24,
6ЧН18/22, 6ЧН20/24
(6AL20/24 «Зульцер»), показавшая, что экспериментальные данные
согласуются с нормальным законом распределения и близки к
расчетным значениям.
5. Результаты работы внедрены в практику эксплуатации и в учебный
процесс.
Основные результаты исследования отражены в следующих
публикациях:
Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендуемых ВАК:
1. Сапожников Э.В., Одинцов В.Б. Метод расчета содержания
окислов азота в отработавших газах судовых среднеоборотных
дизелей // Морские интеллектуальные технологии. Вып.4(10). СанктПетербург: Моринтех, 2010.- С49-51.
Статьи, опубликованные в прочих научных изданиях:
2. Сапожников
токсичности
разработки
Э.В.
Обзор
выполненных
исследований
по
отработавших газов дизелей // Научно-технические
в
решении
проблем
рыбопромыслового
флота
и
подготовки кадров: Материалы межвузовской научно-технической
конференции аспирантов и соискателей (20-22 апреля 2005г.).Калининград: БГАРФ, 2005. - С.139-142.
3. Одинцов
В.И.,
Сапожников
Э.В.
Анализ
токсичности
отработавших газов судовых ДВС // Управление безопасностью
мореплавания и подготовка морских специалистов SSN` 2005:
Материалы пятой международной конференции 8-9 ноября 2005.Калининград: БГАРФ, 2006.- С.204-210.
4. Одинцов В.И., Э.В.Сапожников. Модель образования окислов
азота при сгорании топлива в цилиндрах дизеля // Управление
безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов
SSN`2005: Материалы пятой международной конференции 8-9 ноября
2005.-Калининград: БГАРФ, 2006 г. С.204-210.
22
5. Сапожников
Э.В.
Экспериментальные
исследования
по
определению количества окислов азота NОх в отработавших газах
дизеля
6ЧН 18/22 на режимах регуляторной характеристики //
Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских
специалистов
SSN`2007:
Материалы
шестой
международной
конференции.- Калининград: БГАРФ, 2007.- С.148-154.
Одинцов В.И., Сапожников Э.В. Метод определения количества
окислов азота, образующихся при сгорании топлива в цилиндрах
дизеля // Актуальные проблемы развития и эксплуатации поршневых
двигателей в транспортном комплексе Азиатско-Тихоокеанского
региона:
материалы
Международной
научно-технической
конференции «Двигатели 2008».- Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос.
ун-та.- 2008 г.- С.176-181
6. Одинцов
В.И.,
Сапожников
Э.В.,
Одинцов
В.Б.
Влияние
конструктивных и эксплуатационных факторов на выбросы окислов
азота в судовых дизелях // Научно-технические разработки в решении
проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров.- Материалы
девятой межвузовской научно-технической конференции аспирантов,
соискателей и докторантов (11-12 ноября 2008 г.).- Калининград:
БГАРФ.- С.73-78.
7. Сапожников Э.В., Томилко В.Т., Одинцов В.Б. Расчет содержания
окислов азота в отработавших газах судовых дизелей на режимах
нагрузочной (регуляторной) характеристики. // Морская индустрия,
транспорт и логистика в странах региона Балтийского моря:
материалы VIII международной конференции (20-21 июня 2010 г.).Калининград: БГАРФ.- С.230-234.
23
САПОЖНИКОВ Эдуард Викторович
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
МЕТОД РАСЧЕТА СОДЕРЖАНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА
В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
ФЛОТА РЫБНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Подписано в печать 20.01.2011 г. Формат 60х90 1/16.
Печать офсетная. Объем – 1 усл. печ. л.
Тираж 100 экз. Заказ №4
Издательство БГАРФ
236029, г. Калининград, ул. Горького, д.25
24
Download