Влияние различных факторов на индикаторные, эффективные и экологические показатели судовых дизелей

Для достижения заданных показателей эффективности и топливной экономичности двигателя при его производстве и эксплуатации необходимо оценить влияние различных факторов на индикаторные, эффективные и экологические показатели.

На индикаторные показатели судовых ДВС влияют полнота сгорания топлива, а также тепловые потери в систему охлаждения и с отработавшими газами.

В совершенствовании индикаторных показателей судовых ДВС наиболее важно достижение максимально возможного отношения η_i/α, так как при этом наблюдается наиболее высокая удельная теплота цикла, характеризуемая средним индикаторным давлениемρ_i. Это отношение называют показателем качества протекания рабочего процесса, так как оно связывает два важнейших показателя рабочего цикла: индикаторный КПД η_i – показатель совершенства преобразования теплоты топлива в индикаторную работу газов в цилиндре и коэффициент избытка воздуха при сгорании – показатель совершенства процесса смесеобразования и сгорания. С коэффициентом α связывают и конструктивное совершенство камеры сгорания с точки зрения теплоотвода.

Отношение η_i/α и индикаторный КПД зависят от физических свойств топлива, степени сжатия, параметров впрыскивания и распыления топлива, состава смеси, типа камеры сгорания, характера и интенсивности движения заряда, режимов работы и регулирования двигателя, а также параметров воздуха на впуске.

Сорт топлива может влиять на индикаторные показатели двигателя вследствие изменения параметров впрыскивания и распыливания, различий испаряемости, вязкости, сжимаемости, плотности и воспламеняемости (цетанового цикла). Применение в двигателе топлив облегченного фракционного состава ведет к увеличению периода задержки воспламенения и скорости тепловыделения в фазе быстрого сгорания. При этом возрастают максимальное давление цикла и скорость нарастания давления.

Увеличение степени сжатия в ряде случаев благоприятно влияет на работу двигателя при использовании низкоцетановых топлив. Связано это с тем, что минимально допустимая степень сжатия, выбираемая из условия надежного пуска из холодного состояния достаточно высока. При больших значениях степени сжатия увеличение ее не надет заметного повышения теплоиспользования, так как возрастание термического КПД невелико. Но вместе с тем увеличиваются потери теплоты в охлаждающую воду и увеличивается количество воздуха, заключенного в «мертвых» зонах КС, например в зазорах между поршнем, крышкой и втулкой рабочего цилиндра. Могут при высокой степени сжатия также нарушаться оптимальные условия смесеобразования.

Для достижения высокого теплоиспользования характеристики впрыскивания и распыления должны быть подобраны так, чтобы тепловыделение в основном завершалось уже через 35…40° после ВМТ. Вытекающие из этого требования особенности впрыскивания и распыливания топлива зависят от способности смесеобразования. Например, при объемном смесеобразовании топливо должно впрыскиваться в воздушный заряд и не достигать стенок; при пленочном смесеобразовании, наоборот, топливо впрыскивается на стенки КС в поршне. Для любого способе смесеобразования важным условием для достижения наиболее высоких индикаторных показателей двигателей является такая организация топливоподачи, при которой не требуется подвпрыскивания топлива и не растянут спад скорости в конце процесса впрыскивания (благодаря чему не наблюдается ухудшения теплоиспользования, сильного дымления и закоксования сопловых отверстий форсунок).

Опережение впрыскивания топлива влияет на период задержки воспламенения, жесткость работы двигателя и относительные потери теплоты в стенки цилиндра и с отработавшими газами. Естественно, что для каждой частоты вращения и цикловой подачи топлива существует вполне определенный угол опережения впрыскивания, при котором достигаются наиболее высокие значения среднего индикаторного давления р_i и минимальные значения удельного индикаторного расхода топлива b_i. Обычно за оптимальный угол опережения впрыскивания принимают значение, меньшее того, при котором достигаются р_{i max} и b_{i max}. Связано это с тем, что уменьшение до определенных пределов угла опережения впрыскивания от оптимального значения обеспечивает существенное снижение максимального давления сгорания p_z скорости нарастания давления dp/d φ и содержания окислов азота при сравнительно небольшом ухудшении индикаторных показателей и повышении давления.

В двигателях с разделенными камерами сгорания повышенными оказываются тепловые и газодинамические потери. Поэтому теплоиспользование в двигателях с разделенными КС хуже. В то же время применение таких камер сгорания облегчает форсирование двигателя по частоте вращения, что связано с ускорением смесеобразования и предпламенных реакций при увеличении п.

Увеличение скорости движения заряда при впуске в цилиндр в оптимальных пределах улучшает теплоиспользование и повышает среднее индикаторное давление р_i. Скорость движения заряда зависит от диаметра КС и способа организации завихрения заряда на впуске. Чрезмерное увеличение завихрения заряда (перезавихривания) может привести к уменьшению наполнения воздухом, неполному сгоранию топлива и дымлению.

При неизменной цикловой подаче топлива возрастание коэффициента наполнения и плотности заряда перед впускными органами ведет к пропорциональному росту коэффициента избытка воздуха α. Это сопровождается увеличением η _i и пропорциональным повышением ρ _i. Если цикловая подача топлива изменяется пропорционально росту произведения η_нγ_s, то α остается неизменным. При сохранении оптимальных периода впрыскивания и условий смесеобразования теплоиспользование не ухудшается и р_i растет пропорционально η_нγ_s. В двигателях с наддувом теплоиспользование практически остается на том же уровне, что и в двигателях без наддува, так как при наддуве уменьшается поверхность теплообмена, приходящаяся на единицу количества заряда, и снижаются потери теплоты в охлаждающую воду. Для снижения тепловой напряженности деталей ЦПГ для двигателей с наддувом применяют повышенный коэффициент избытка воздуха α, при этом теплоиспользование несколько улучшается, но возрастание р_i будет меньшим.

При увеличении температуры атмосферного воздуха и снижении атмосферного давления уменьшается массовое наполнение цилиндров. Если цикловая подача топлива остается постоянной, то коэффициент а снижается, что, в свою очередь, ведет к уменьшению индикаторного КПД и снижению среднего индикаторного давления.

В случае применения газотурбинного наддува влияние параметров окружающей среды на индикаторные показатели двигателя оказываются меньшим, так как при снижении а увеличиваются теплосодержание отработавших газов и соответственно частота вращения турбокомпрессора. В результате частично компенсируется снижение плотности воздушного заряда.

Влияние частоты вращения на индикаторные показатели судовых ДВС следует рассматривать с учетом изменения продолжительности цикла, качества распыливания и угла опережения впрыскивания топлива. С увеличением частоты вращения при постоянном а индикаторный КПД несколько увеличивается. Это обусловлено снижением потерь теплоты в систему охлаждения и повышением полноты сгорания за счет улучшения распыливания топлива и характеристики топливоподачи, повышения скорости движения заряда и более благоприятного развития и протекания процесса сгорания.

Эффективные показатели двигателя тем лучше, чем выше теплоиспользование и меньше механические потери. При работе двигателя при разных нагрузках и скоростных режимах (при прочих равных условиях) снижение механических потерь обусловливает уменьшение количества теплоты, отдаваемой окружающей среде, и силовой напряженности сопряженных деталей. Чем меньше потери на трение, тем меньше нужно отводить теплоты, тем меньше затраты мощности на привод агрегатов охлаждения и смазки. Конструктивные размеры агрегатов системы охлаждения при этом могут быть сокращены. При малых потерях на трение уменьшается так же износ основных трущихся пар двигателя.

К наиболее эффективным мероприятиям по снижению потерь на трение следует отнести уменьшение площади контактных поверхностей и совершенствование их формы и качества обработки, улучшение качества применяемых масел, оптимизацию теплового состояния двигателя и улучшение приработки и улучшение приработки сопряженных поверхностей в процессе обкатки. Высокий эффект снижения потерь на трение достигается при уменьшении числа поршневых колец. Снизить потери на газообмен можно за счет правильного выбора конструкции и размеров впускной и выпускной систем, совершенствования аэродинамики соответствующих трактов. Снижение потерь на перетекание достигается при использовании неразделенных камер сгорания вместо разделенных (вихревых и предкамерных).

От технического состояния двигателя сильно зависят механические потери и механический КПД. С износом поршневых колец и зеркала цилиндра, особенно в верхней части, увеличивается зазор между стенками цилиндра и поршня. Это приводит к увеличению количества прорывающихся газов из подпоршневого пространства и снятию масляной пленки со стенок цилиндра. Первое способствует разжижению масла в картере двигателя и ухудшению его смазочных свойств, второе приближает условия смазки поршневых колец к полусухому трению. Появление накипи на стенках рубашки втулок и крышек рабочих цилиндров, а также нагара на стенках деталей, образующих рабочий объем двигателя, ухудшает теплоотдачу и повышает температуру стенок деталей. Таким образом, ухудшение технического состояния двигателя - одна из основных причин повышения механических потерь общего снижения параметров рабочего цикла и показателей двигателя.

Наметившиеся тенденции форсирования судовых дизелей, увеличение интенсивности эксплуатации, а также расширение парка дизельных двигателей неизбежно сопровождаются ростом вредных выбросов в атмосферу. Основу этих выбросов составляют окислы азота NO_x, окись углерода СО, окислы серы SO_x, углеводороды СН и зола.

В атмосфере окислы азота NO_x и серы SO_x растворяются в воде и, находясь в каплях дождя, выпадают на землю, окисляя почву. В результате уничтожаются растения и нарушается природный баланс.

Окись углерода СО и окислы азота NO_x в атмосфере вызывают потепление и осушение климата Земли. Кроме того, окись углерода СО является токсичным газом.

Проведенные Комиссией по защите морской среды МЕРС (The International Maritime Organisation) испытания различных типов судов показали, что в среднем величины выбросов судовых дизелей в кг на 1 тонну топлива составляют: NO_x – 59; СО – 8; СН – 2,7; СО₂ – 3250 и SO₂ – 2,4. Доля загрязнения воздушной среды транспортными судами составляет 5-10% и постепенно увеличивается. Годовой выброс судового дизеля мощностью около 20 тыс. кВт равен: по NO₃ – 1500 т; SO₂ – 600 т; СО – 100 т и по твердым частицам – 50 т.

Таким образом, актуальным представляется анализ путей снижения вредных выбросов судовых дизелей. Этот анализ целесообразно провести раздельно для СОД и МОД.

У четырехтактного СОД при работе с полной нагрузкой на высоковязком топливе типичный состав ОТ включает по объему: азот (N) 75 %, кислород (О₂) 12,3 %, инертные газы 0,9 %, двуокись углерода (СО₂) 5,6 %, вода (пар) Н₂О 0,6 %. По удельному расходу: двуокись серы SО₂ при содержании серы в топливе 3,0 % – 12 г/(кВт-ч), двуокись азота (NО₂) – 16 г/(кВт-ч), окись углерода (СО) – 0,6 г/(кВт-ч), углеводороды (СН) – 0,4 г/(кВт-ч) и сажа – 0,05 г/(кВт-ч).

В то же время состав продуктов сгорания для двухтактного двигателя, например, серии МС фирмы MAN – B&W, включает в основном NO_x, SO_x, СО и представлен по составляющим реакции сгорания и по составу ОГ в табл. 33 [103].

 

Таблица 33 – Вредные включения в ОГ судовых дизелей

Наименование включений	Количество включений, кг/т топлива
МОД	СОД
Окислы азота
Окись углерода
Углеводороды	2,5	2,7
Углекислота

 

Исследования Регистра Ллойда показали, что у МОД содержание NO_x намного больше, чем у СОД. Так, выбросы NO_x при нагрузке двигателей 80% от максимально длительной у МОД.

Поскольку выпуск NO_x у МОД значительно выше, чем у СОД, в связи с большей продолжительностью цикла, проходящего при высоких температурах, достигающих 2800°С, нормативы по предельным значениям вредных выбросов ОГ можно дифференцировать не только по типам двигателей, но и по типам судов.

МОД работает с суммарным коэффициентом избытка воздуха больше трех. Больше половины воздуха потребляется в процессе сгорания, а остальной идет на продувку цилиндров. Поэтому ОГ содержат 13...16 % активного О₂ и в нормах по загрязняющим веществам указывается процент его содержания. Азот N, который в атмосфере занимает 80% и составляет при высоких α основную часть ОГ, вступает в реакцию с кислородом во время рабочего процесса, образуя токсичные окислы азота, которые являются самыми вредными составляющими ОГ: это NO, NО₂, Н₂О. Количество каждой из окисей определяется локальными условиями: величиной температуры и концентрацией кислорода.

У СОД это происходит менее интенсивно в силу быстротечности процесса сгорания.

Избавиться от СО₂ при сжигании органических топлив невозможно. Но следует отметить, что, благодаря более высокому термическому КПД двигателей (при мэдых удельных расходах топлива), большим избыткам воздуха, выход СО на единицу мощности у судовых дизелей значительно меньше, чем у любых других тепловых двигателей и паровых котлов.

Если относительные выбросы СО₂ у электростанции, работающей на угле, принять за 100 %, то выбросы СО₂ дизельной электростанции, работающей на высоковязком топливе, составляют 75%, а работающей на природном газе – 55%.

Окись углерода СО образуется при избытке воздуха в условиях высокой температуры сгорания топлива под влиянием локального определенного соотношения между топливом и воздухом в камере сгорания. Низкое содержание СО в ОГ определяется высокой концентрацией Ог и интенсивным сгоранием топлива.

В ОГ дизелей СО содержится в незначительных количествах и поэтому не представляет серьезной опасности.

Содержание углеводородов в ОГ дизельных двигателей в 6-9 раз меньше, чем в ОГ бензиновых двигателей, и их количество уменьшается по мере улучшения качества топлива и повышения температур его сгорания. Общее количество углеводородов в ОГ определяется, как эквивалент метана СH₂. К числу токсичных органических соединений в ОГ относятся диоксин, хлорфенол, хлоробензин, полиароматические углеводороды и др. По отношению к другим вредным компонентам количество этих вредных веществ сравнительно мало (не более 0,04 мг/нм³), поэтому они не играют особой роли при обеспечении очистки ОГ.

К числу неблагоприятных факторов следует отнести дымность ОГ. С нею связан традиционный способ оценки качества процесса сгорания топлива, используемый практически у всех дизельных установок в эксплуатации. Дым традиционно характеризует некачественное сгорание топлива и оценивается по его интенсивности. Цвет его зависит от содержания NO2, имеющего желто-серый оттенок сконденсированной воды в виде пара.

Окись серы SO_x органического происхождения состоит в основном из SО₂ (около 93%) и SО₃ (около 7%), находящихся между собой в соотношении примерно 15:1. Их происхождение связано с топливом и зависит от количества серы в используемом топливе. Они определяют степень коррозии деталей двигателя, способствуя появлению на выпуске серной кислоты H₂SО₄.

Сокращение выбросов SO_x дизеля достигается или путем понижения содержания серы в топливе, или путем применения технологии улавливания окисей серы из ОГ.

Очистка ОГ от серы является сложной задачей. Наиболее эффективный способ – устранение SO_x из ОГ путем промывки последних в устройствах мокрой очистки с помощью специальных скрубберов.

При низких температурах кислоты будут конденсироваться на различных частях судна. Кроме того, большое количество серы в топливе усиливает сажеобразование. В связи с указанными трудностями считается наиболее рациональным удалять серу из топлива на нефтеперегонных заводах и не улавливать SO_x в судовых условиях.

Единственно приемлемый способ уменьшения выбросов SO_x в атмосферу с ОГ – это работа на малосернистых топливах.

Таким образом, улучшить экологические показатели отработавших газов судовых дизелей можно следующими мероприятиями:

1. Увеличением коэффициента избытка воздуха можно уменьшить выход СО2 на единицу мощности дизеля.

2. Содержание углеводородов снижается улучшением качества топлива и повышением температуры его сгорания.

3. Снижение содержания окислов серы достигается применением малосернистых топлив, промывкой и фильтрацией выпускных газов в специальных устройствах.

4. Снижение дымности газов, как наличия мелких частиц сажи, нагара и несгоревших частичек топлива и масла, обеспечивается различными способами фильтрации отработавших газов.