Страницы 1 2

ВВЕДЕНИЕ

 

Вопросы охраны окружающей среды в последнее время выдвинулись в число важнейших, которые необходимо решить человечеству. Результаты специальных исследований, выполненных учеными разных стран, показали, что бездумное использование природных ресурсов, неограниченный сброс отходов создали опасность необратимых процессов в биосфере, а именно угрозу самой жизни человека.

Охрана окружающей среды в нашей стране возведена в ранг конституционной нормы. Кроме того, принят ряд специальных постановлений правительства по вопросам охраны природы как в целом, так и по отдельным регионам: бассейнам реки Волги и озера Байкал, Балтийского, Черного и Азовского морей, Арктического бассейна. Бесспорно, что каждое судно в отдельности и весь флот в целом всегда будут являться потенциальными источниками загрязнения водоемов, а так же атмосферного воздуха.

Большой вред окружающей среде наносят отработавшие газы дизелей, в которых содержатся сажа и компоненты неполного сгорания топлива. Все более острой становиться проблема — снижение вредных выбросов с отработавшими газами энергоустановок. Тенденция использования тяжелого топлива на водном транспорте привела к тому, что судовые двигатели внутреннего сгорания стали работать на топливах ухудшенного качества. Кроме прочих неблагоприятных показателей качества утяжеленных и тяжелых топлив нужно отметить повышенное содержание в них серы. Это значит, что в составе отработавших газов существенно повышается содержание серного и сернистого ангидрида, т. е. потенциальных кислотосодержащих продуктов, влияние которых резко отрицательно сказывается на окружающей среде [1].

Деятельность железнодорожного транспорта в наибольшей степени отражается на атмосфере в районах, где в качестве подвижного состава используются тепловозы с дизельными силовыми установками. Из 87,1 тыс.км железных дорог России протяженность линий, на которых работают тепловозы составляет 47,8 тыс.км.

На маневровой работе занято до 45% эксплуатируемого парка локомотивов и 92% маневровой работы выполняется тепловозами.

Целью данной работы является разработка мероприятий по снижению вредных выбросов тепловозов в эксплуатации.

 

1. ОЦЕНКА ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ТЕПЛОВОЗОВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ
   • Физико-химические основы образования и выделения токсичных веществ в отработавших газах двигателя тепловоза

 

Образование токсичных веществ — продуктов неполного сгорания и окислов азота в цилиндре двигателя происходит, в основном, двумя путями. Первая группа токсичных веществ связана с химическими реакциями окисления топлива, протекающими в процессе сгорания — расширения. Вторая группа токсичных веществ образуется при соединении азота и избыточного кислорода в продуктах сгорания .

Основными токсичными веществами — продуктами неполного сгорания — при использовании дизельного топлива среднего элементарного состава являются сажа, окись углерода, углеводороды, альдегиды. Содержание токсичных веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания представлено в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Содержание токсичных веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, % по объему

 

Примечание: в ОГ двигателей содержатся также: свинец, кремний, медь, кальций, цинк, фосфор, марганец, хром, натрий, барий, железо, никель и ряд других веществ, входящие в состав присадок смазочного масла либо являющиеся продуктами износа деталей двигателя, попадающие в КС вместе с маслом.

Рассмотрим подробнее механизмы образования тех из веществ, содержание которых в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания нормируется или предполагается нормировать в будущем.

Сажа. При сгорании углеводородных топлив в различных горелках и двигателях внутреннего сгорания в отработавших газах может содержаться твердый углеродный продукт в дисперсном состоянии (сажа). Другие твердые углеродистые соединения (пироуглерод и нитевидный углерод) обычно в отработавших газах не содержатся, так как образование их происходит на твердых поверхностях.

Частица сажи ­ это агломерат пакетов (кристаллитов), которые, в свою очередь, состоят из набора отдельных сеток (пластинок) графитовых шестиугольников. Кроме углерода сажа содержит 1­3% по массе (т. е. 10 ­30% по числу атомов) водорода, который может быть химически или физически связан с углеродом.

Образование сажи представляет собой объемный процесс термического разложения (пиролиза) углеводородов в газовой (паровой) фазе в условиях сильного недостатка (отсутствия) окислителя (кислорода).

Образование сажи в дизелях может происходить также при попадании струй топлива на сравнительно холодные стенки цилиндра.

Моноксид углерода СО. В двигателях внутреннего сгорания образование окиси углерода может происходить в ходе холоднопламенных реакций, при сгорании топливовоздушных смесей с некоторым недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации двуокиси углерода, происходящей при высоких температурах (более 2000 К). В процессе последующего сгорания и расширении при наличии кислорода возможно горение окиси углерода. Оно происходит по цепному механизму, который установлен на основе работ советских ученых (Я. Б. Зельдовича, Н. Н. Семенова, В. Н. Кондратьева) и который может быть представлен следующими элементарными стадиями.

Зарождение цепей

Н₂O + СО = Н₂ + СO₂; (2)

Н₂ + O₂ = 2OН. (3)

Продолжение цепей

ОН + СО = С0₂ + Н. (4)

Разветвление цепей

Н + O₂ = ОН + О; (5)

О + Н₂ = ОН + Н. (6)

Обрыв цепей на стенках

2Н + стенки = Н₂. (7)

Обрыв цепей в объеме

СО + О = СO₂. (8)

Скорость процесса определяет наиболее медленная реакция (4). Таким образом, окисление СО зависит от концентрации водорода и гидроксила в продуктах сгорания.

В дизелях, работающих при α> 1, вероятность указанных превращений во фронте пламени мала и в отработавших газах содержится меньше СО, но в цилиндрах находятся дополнительные источники его появления:

­ низкотемпературные участки пламени стадии воспламенения топлива;

­ капли топлива, поступающие в камеру на поздних стадиях впрыска и сгорающие в диффузионном пламени при недостатке кислорода;

­ частицы сажи, образовавшейся в период распространения турбулентного пламени по гетерогенному заряду, в котором при общем избытке кислорода могут создаваться зоны с его дефицитом и осуществляться реакции типа

2С+О₂ →2СО (9)

Величина выбросов CО₂ зависит от физико-химических и теплофизических свойств топлив и их расхода. При использовании в качестве автомобильного топлива водорода в продуктах сгорания СО₂ отсутствует.

Оксиды азота NO_X представляют набор следующих соединений: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄ и N₂O₅. Преобладает NO (99% в бензиновых двигателях и более 90% в дизелях).

В камере сгорания NO может образовываться:

• при высокотемпературном окислении азота воздуха (термический NO);
• в результате низкотемпературного окисления азотсодержащих соединений топлива (топливный NO);
• из-за столкновения углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсаций температуры (быстрый NO).

В процессе сгорания топлив окислы азота (практически лишь окись NO) образуются в результате реакций окисления азота кислородом воздуха. В реакции образования NO может участвовать как азот, содержащийся в топливе, так и азот атмосферного воздуха.

В нефтепродуктах содержится до 5% азотистых соединений (0,3—0,6% по весу чистого азота). Основными азотосодержащими компонентами твердого и жидкого топлив являются пиридин и его производные. Азот топлива легче вступает в реакцию окисления, чем атмосферный азот.

Предполагаемый механизм образования NO из топливного азота

I+R+NO+…; (13)

I+NO→N₂+…; (14)

где R — компоненты, не содержащие азота.

Возможно, что I представляет собой NH₂, а R — это ОН.

При содержании в топливе азота в количестве 1,4% от веса было зафиксировано в процессе сгорания увеличение выделения NO примерно в 10 раз.

Ряд исследований, выполненных на лабораторных установках с добавкой к топливу азотосодержащих соединений (пиридина, аммиака и др.), показал, что количество образовавшихся окислов азота не зависит от типа азотосодержащего компонента и определяется содержанием чистого азота в топливе.

Установлено также, что степень окисления азота топлива зависит от его концентрации в топливе и от вида пламени. Так, например, при α=1,1 в предварительно перемешанном пламени метана в воздухе и добавке аммиака от 1 до 9,3% степень превращения NH₃ в NO уменьшается с 95 до 63%. В диффузионном пламени NO образуется в 2—3 раза меньше, чем в предварительно перемешанном.

В пламени при сжигании азотосодержащих топлив были зафиксированы концентрации окислов азота, значительно превышающие равновесные:

N₂ + О₂⇆2NO. (15)

Это можно объяснить тем, что механизм образования NO включает также реакции (13). (14), поэтому невозможно сравнивать действительные концентрации NО с равновесными по уравнению (15), которое справедливо только для образования NО в зоне продуктов сгорания из атмосферного азота.

Исследования Р. А. Липштейна показывают, что при перегонке нефти азотистые соединения остаются в тяжелых фракциях. Фракции с температурой перегонки до 350°С содержат не более 4% всего азота, находящегося в нефти. Поэтому для дизельных топлив, а тем более бензинов, получаемых из нефти, можно не учитывать при анализе образования NO реакции с топливным азотом.

Однако для используемых в тихоходных дизелях моторных топлив (ДТ-1, ДТ-2, ДТ-3), у которых только 15% составляющих топлив перегоняется до температуры 250°С, а также для мазутов нельзя пренебрегать содержанием топливного азота.

В дизелях альдегиды образуются в период предпламенных реакций, протекающих в период подготовки топливовоздушной смеси к сгоранию, когда процесс окисления протекает при низких температурах (их называют также холодным пламенем). Альдегиды и пероксиды (перекиси) являются типичными продуктами этих реакций. При образовании альдегидов выделяется тепло. В процессе самовоспламенения топлива они активной роли не играют. Как в дизелях, так и в двигателях с искровым зажиганием могут образоваться альдегиды, если часть процесса сгорания протекает при низких температурах, что наблюдается при охлаждении горящей смеси сравнительно холодными поверхностями, ограничивающими камеру сгорания, или при сгорании очень обедненной смеси, характерной для малых нагрузок у дизеля, или сгорание последней порции топлива в бензиновых двигателях, или в конце процесса сгорания в двигателях с послойным смесеобразованием. В процессе сгорания, происходящем при высоких температурах, альдегиды могут сгорать.

В настоящее время широкое применение в настоящее время нашли нейтрализаторы. Они бывают разных видов и различаются по назначению, конструкции и механизмам действия.

 

1.2. Разработка методики расчета количества продуктов сгорания топлива в тепловозных дизелях по методу равновесного состава

 

Тепловоз является основным загрязнителем воздуха на железнодорожном транспорте. На его долю приходится не менее половины выбросов окислов азота всей отрасли и значительная часть выбросов сажи. В непосредственной близости от тепловоза предельно-допустимые концентрации (ПДК) по этим ингредиентам превышены в десятки раз и достигают допустимого значения на расстоянии 2,5–4 км, что значительно превышает требования к размерам санитарно-защитных зон (СЗЗ) предприятий, эксплуатирующих тепловозы. На территории Российской Федерации размещены более 120 локомотивных депо и других объектов железнодорожного транспорта, эксплуатирующих тепловозы. Практически на всех этих объектах имеются реостатные станции, предназначенные для испытаний и регулировки тепловозов.

Во время проведения реостатных испытаний тепловоз работает под нагрузкой в течение длительного времени и выбрасывает непосредственно в атмосферу (без очистки) большое количество вредных веществ. Так, маневровый тепловоз за время испытаний выбрасывает в среднем в атмосферный воздух следующее количество загрязняющих веществ: оксидов азота 30–35 кг; диоксидов углерода 15–20 кг; сажи 2–4 кг; оксидов серы 5–7 кг. При этом концентрация вредных веществ вблизи работающего тепловоза превышает ПДК по оксидам азота в 60–80 раз, по саже в 4–6 раз. Для магистральных тепловозов вышеприведенные цифры значительно выше. Зачастую локомотивные депо располагаются в черте жилой застройки города, оказывая вредное воздействие на окружающую среду и здоровье людей. Часть реостатных станций локомотивных депо располагается в курортных зонах на СКЖД, где требования к качеству атмосферного воздуха значительно выше, чем для населенных мест.

Следует отметить, что даже при соблюдении существующих технических нормативов выбросов тепловозами уровень фоновых концентраций ВВ в атмосферном воздухе значительно превышает значения установленных ПДК, в особенности по окислам азота и саже, что доказывает актуальность и необходимость проведения дальнейших организационно-технических разработок, направленных на снижение вредного воздействия транспортных средств на воздушный бассейн.

Поэтому вопрос снижения выбросов вредных (загрязняющих) веществ тепловозными дизелями при их эксплуатации, а также во время реостатных испытаний на пунктах экологического контроля (ПЭК) является важнейшей задачей на железнодорожном транспорте. В последнее время данной проблеме, имеющей государственное значение, уделяется серьезное внимание[1].

Задача снижения эксплуатационных расходов дизельного топлива с одновременным снижением выбросов вредных веществ тепловозными дизелями может быть решена только комплексом мероприятий, направленных на совершенствование конструкции дизеля, системы технического обслуживания и ремонта, повышение качества дизельного топлива и масла, а также применение альтернативных видов топлив и многофункциональных присадок к топливу. Использование в промышленности и на транспорте альтернативных видов топлив и их добавок может решить многие проблемы глобального характера, а именно:

­ проблему истощения природных ресурсов (ресурсосбережение);

­ проблему сохранения озонового слоя (сокращение выбросов парниковых газов); • проблему смога в мегаполисах.

Таким образом, использование альтернативных и комбинированных видов топлив, а также добавок к топливу является одним из перспективных направлений улучшения энерго-экологических показателей дизелей локомотивов. Использование добавок к топливу, в том числе водородосодержащих газов, является достаточно перспективным, поскольку позволяет подавать небольшие количества добавок с незначительными изменениями конструкции дизеля[2]. Одним из путей повышения экономичности, снижения токсичности и дымности отработавших газов дизелей является использование водородосодержащих газов в качестве добавок к дизельному топливу.

В связи с этим встает необходимость выявить зависимость уровней выбросов вредных веществ от различных добавок водородосодержащих газов к дизельному топливу, а также от процентного соотношения добавки и основного топлива, т.е. дизельного топлива. Для этого была предложена и проверена на адекватность методика расчета количества продуктов сгорания дизельного топлива с добавками водородосодержащих газов, в основу которой положен метод равновесного состава[3], предполагающий равенство количества атомов одноименных элементов, вступающих в реакцию окисления, количеству атомов этих же элементов в конечных продуктах окисления.

Далее, в качестве примера, приведена методика расчета количества продуктов сгорания для смеси пропана и дизельного топлива. Для разработки методики было принято допущение, что содержание серы в топливе равно нулю, кроме того, было принято рассматривать 13 веществ, так как именно эти вещества являются основными продуктами сгорания. К ним относятся О, О2, О3, Н, Н2, ОН, Н2О, С, СО, СО2, N2, NО, NО2. Для определения содержания указанных веществ в продуктах сгорания используем три уравнения материального баланса.

αSС = αpSО;

βр = SO/SN;

γp = SC/SH; где SО, SN, SC, SH – число атомов соответствующего элемента. Выразив число атомов соответствующих элементов через парциальные давления, получаем:

αp(РО + 2РО2 + 3РО3 + РОН + РН2О+ РСО + +2РСО2 + РNО + 2РNО2) = = α(РС + РСО + РСО2); βр(РNО2 + 2РN2 + РNО) = РО + 2РО2 + 3РО3 + +РОН + РСО + 2РСО2 + РNО + 2РNО2; γр(РН + 2РН2 + РОН + 2РН2О) = РС + РСО + РСО2.

Для смеси пропана и дизельного топлива значения констант αp, βр, γp необходимо вывести из стехиометрического уравнения: xC + yH + zO +wN = nCO2 + mH2O + pN2, где x = n, y = 2m, z = 2n + m = 2x + y/2. Отсюда γp = х/у; αp = 1/(2+ 1/2γp).

Для пропана значения этих констант: γp = ηп0,375; αp = ηп0,3, где ηп – доля пропана в смеси с дизельным топливом. Для дизельного топлива значения этих констант: γp = ηд0,467; αp = ηд0,326, где ηд – доля дизельного топлива в смеси с пропаном. Значение константы βр для пропана и дизельного топлива остается неизменным: βр = 0, 266. Далее задается связь между полным давлением смеси и парциальными давлениями отдельных компонентов с помощью уравнения Дальтона: Р = РО + РО2 + РО3 + РОН + РН2О + РСО + РСО2 + + РNО + РNО2 + РН + РН2 + РС + РN2. После определения парциальных давлений продуктов сгорания (Рi, Па) и, при условии постоянства температуры и объема смеси в дизеле в процессе сгорания, определяется относительный объем каждого компонента смеси, Па: Рi = РVi/Vn.c., где Vn.c – объем продуктов сгорания, соответствующий концу видимого сгорания, м³ ; Vi – объем, занимаемый i-м продуктом сгорания, м³ ; Р – давление смеси продуктов сгорания, соответствующее максимальному давлению сгорания, Па. Масса продуктов сгорания определяется по уравнению состояния газов: Рi Vn.c = miRT/μi, где mi – масса i-го продукта сгорания, кг; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К); μi – молярная масса i-го продукта сгорания, кг/моль. Рассмотренная выше методика расчета равновесного состава продуктов сгорания может быть применена для анализа образующихся токсичных веществ при сгорании в цилиндре дизеля дизельного топлива с добавкой пропана. Также данная методика позволяет вести расчет при варьировании количества пропана. При расчете продуктов сгорания дизельного топлива с добавками других водородосодержащих газов значения константαp, βр, γp необходимо вывести из стехиометрического уравнения соответствующего вещества, которое используется в качестве добавки.

С целью проверки адекватности разработанной методики был произведен сравнительный анализ экспериментальных данных, полученных на пункте экологического контроля (ПЭК) по приборам газового контроля (IMR-1400) с результатами численных экспериментов по предложенной методике. В качестве экспериментальных данных были взяты результаты замеров уровней выбросов вредных веществ (CO, NOx) 59 тепловозов ЧМЭ3 в локомотивном депо Самара. После обработки данных с помощью программы Statistica были получены средние значения уровней выбросов вредных веществ. Как показали результаты сравнения, наблюдается удовлетворительная погрешность 15 %[4], на основании чего можно сделать вывод о возможности применения предложенной методики для расчетно-теоретического анализа влияния различных добавок водородосодержащих газов к дизельному топливу на уровни выбросов вредных веществ дизелей тепловозов.

 

1.3. Влияние параметров рабочего процесса дизеля на количество вредных выбросов в отработавших газах двигателя тепловоза

 

Одними из основных задач для железнодорожного транспорта являются уменьшение потребления дизельного топлива тепловозами на тягу поездов и маневровую работу, следовательно, улучшение экологических показателей тепловозов в соответствии с требованиями международных норм и стандартов.

На железнодорожном транспорте потребляется большое количество жидкого, твердого и газообразного топлива. Топливо на железнодорожном транспорте расходуется в основном на работу локомотивов. Расход топлива тепловозами зависит от большого количества факторов. Условно их можно разделить на конструктивные и эксплуатационные. К первым можно отнести расходные характеристики дизеля, степень отбора мощности на привод вспомогательных агрегатов, уровень потерь в электрической передаче тепловоза и др.; к эксплуатационным факторам — профиль и план пути, массу поездов и их удельное сопротивление движению, способ управления движением, климатические условия, определяющие режимы работы тепловоза. К эксплуатационным факторам следует также отнести качество и цикличность технического обслуживания и ремонта, от которых зависит стабильность расходных характеристик. Для топливной экономичности тепловозов имеет большое значение соответствие конструктивных факторов условиям эксплуатации [4].

Важным источником экономии топлива является повышение экономичности силовых установок за счет применения более совершенных конструкций дизелей, а именно:

1. Загрузка вагонов ­ наиболее отчетливо влияние загрузки вагонов, т. е. нагрузки на ось вагона, на расход топлива обнаруживается при постоянном весе поезда. Чем меньше загружен вагон, тем более значительно возрастает расход топлива. Такая зависимость объясняется тем, что уменьшение нагрузки на ось вагона сопровождается увеличением его удельного сопротивления.
2. Трудность пути ­ подъемы, уклоны и кривые изменяют полное удельное сопротивление вагонов и тепловоза. Поэтому расход топлива на измеритель существенно зависит от трудности пути в плане и профиле. Во время движения поезда в кривых участках пути возникают силы трения, поэтому увеличивается удельное сопротивление поезда: чем меньше радиус кривой, тем больше удельное сопротивление.
3. Климатические условия ­ температура наружного воздуха, скорость и направление ветра по-разному сказываются на работе тепловоза и движении поезда. Понижение температуры в интервале не ниже минус 15—20⁰С приводит к увеличению КПД тепловоза. Это проявляется в том, что при одном и том же расходе топлива увеличивается мощность тепловоза. При понижении температуры наружного воздуха увеличивается доля холостой работы дизеля на стоянках из-за необходимости поддерживать температуру воды и масла дизеля. Вследствие этого будет возрастать коэффициент, учитывающий влияние холостой работы дизеля на расход топлива, что вызывает увеличение расхода топлива. Особенно заметное влияние на расход топлива при понижении наружной температуры оказывает сопротивление поезда. В зимнее время сопротивление возрастает за счет увеличения вязкости смазки в буксах. Повышение скорости ветра, особенно когда он направлен в бок поезда, вызывает значительное возрастание сопротивления поезда и увеличение расхода топлива.

Таким образом, наружная температура оказывает влияние на ряд показателей в работе тепловоза, которые действуют на расход топлива по-разному [2].

Проблемы нормирования расхода топлива и снижения загрязнения атмосферы вредными выбросами тепловозных дизелей тесно взаимосвязаны. Поэтому совершенствование рабочего процесса дизеля для более полного сгорания топлива позволяет снизить выброс сажи в окружающую среду и одновременно уменьшить расход топлива на выполнение одинаковых процессов работы. В то же время увеличение температуры сгорания топлива вызывает повышение выбросов вредных окислов азота. Причинами повышенной токсичности и повышенного расхода топлива дизельных двигателей являются низкое качество топлива; нарушение работы системы топливоподачи (слишком низкий коэффициент избытка воздуха, неравномерная подача топлива по цилиндрам, смещение фаз впрыска, межцикловая неравномерность подачи топлива); повышенный расход масла на угар из-за износа деталей цилиндропоршневой группы.

Повышенная токсичность дизелей определяется следующими факторами:

1. Низкая эффективность каталитических нейтрализаторов. Это связано с тем, что степень сжатия, следовательно, и степень расширения дизелей значительно выше. Поэтому температура отработавших газов недостаточна для эффективной работы нейтрализаторов. В связи с этим не удается добиться снижения выброса оксидов азота, которые в несколько десятков раз более токсичны, чем окись углерода (СО).
2. Повышенный выброс на некоторых режимах, особенно во время прогрева, продуктов неполного сгорания с характерным неприятным запахом.
3. Частицы сажи являются носителями канцерогенов. Попадая в дыхательные пути, они вызывают раковые опухоли. Из-за того, что ни в одной из стран до сих пор нет быстродействующих газоанализаторов, нет и возможности нормировать их выброс.

Основным источником загрязнения атмосферы являются отработавшие газы дизелей тепловозов. Так при работе магистральных тепловозов в атмосферу выделяются отработавшие газы, по составу аналогичные выхлопам автомобильных дизелей. Одна секция тепловоза выбрасывает в атмосферу за час работы приблизительно 28 кг оксида углерода, 17,5 кг оксидов азота, до 2 кг сажи [3]. Но тепловозные дизели при поездной работе имеют более стабильный режим нагрузок, так как регулирование скорости производится с помощью электротрансмиссии, а дизель работает с малыми отклонениями частот вращения. В связи с этим выделение загрязняющих веществ значительно сокращается. Вместе с тем, маневровые тепловозы работают в переменных режимах с частыми троганиями, ускорениями и торможениями. В этом случае выброс отработавших газов значительно возрастает.

Одним из радикальных методов снижения загрязнения атмосферы является нормирование эмиссии загрязнителей и организация регулярного контроля за соблюдением установленных норм. Нормированию и сокращению вредных выбросов  двигателей  внутреннего  сгорания  подлежат  лишь  основные

составляющие, к которым относятся окись углерода (СО), окислы азота (NO) и дополнительно углеводороды (CH).

Количество отработавших газов локомотива за час работы определяется по формуле [1]:

MZi  =14,3bei Neiαi ,                                              (1)

где 14,3 ­ теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг дизельного топлива;

bei ­ удельный расход топлива тепловозом на соответствующей позиции контроллера машиниста, кг/кВт ч;

Nei ­       мощность   дизеля   на   соответствующей   позиции

αi ­ коэффициент избытка воздуха.

В настоящее время проблемам экологической безопасности уделяется больше внимания на международном, государственном и местных уровнях. Но медленное претворение в жизнь необходимых для улучшения ситуации мер, продолжение вредной деятельности и зачастую недостаточное финансирование для обновления износившегося оборудования, всё это, к сожалению, указывает на то, что в ближайшее время нереально ожидать значительных улучшений.

 

1.4. Разработка методики оценки параметров рабочего процесса серийного дизеля с учетом угла опережения подачи топлива

 

Основными параметрами топливоподачи, которые оказывают наибольшее существенное влияние на рабочий процесс дизеля, являются: качество распыливания топлива, характеристика впрыскивания, способ смесеобразования и т. д. Однако для организации рабочего процесса крайне важными являются не только количественные и качественные показатели процесса топливоподачи, но и привязка процесса топливоподачи к положению поршня в рабочем цилиндре двигателя на такте сжатия.

Существенное влияние на весь процесс сгорания топлива в рабочем цилиндре оказывает начальный этап поступления топлива в камеру сгорания до его воспламенения и сгорания. Этот период получил название периода задержки самовоспламенения топлива τ.

На развернутой индикаторной диаграмме рабочего процесса дизеля (рис. 5.20) продолжительность этого периода определяется как угловой промежуток от момента поступления первых порций топлива в рабочий цилиндр (точка 1) и до момента отрыва линии сгорания от линии сжатия (точка 2). Под линией сжатия подразумевается кривая изменения давления в рабочем цилиндре при отсутствии подачи топлива, под линией сгорания кривая изменения давления при сгорании топлива.

Рис.1.1. Период задержки самовоспламенения и его влияния на рабочий процесс двигателя

На протяжении периода задержки самовоспламенения протекает ряд последовательно-параллельных физико-химических процессов, получивших название предпламенных.

При попадании в рабочий цилиндр первых порций топлива часть теплоты заряда расходуется на их прогрев и испарение. В результате температура и давление в цилиндре несколько снижаются, кривая сгорания идет ниже кривой сжатия (позиция А на рис. 1.1).

По мере испарения топлива начинаются химические реакции образования первичных комплексов, получивших название предпламенных реакций. Эти реакции могут носить как экзо-, так и эндотермический характер. Только после накопления в камере сгорания продуктов первичных реакций начинается их взаимодействие с кислородом воздуха, носящее, как правило, цепной характер и сопровождающиеся выделением большого количества тепла. Повышение температуры заряда приводит к повышению давления, в результате чего кривая сгорания пересекает кривую сжатия, что и соответствует моменту окончания периода задержки самовоспламенения.

Продолжительность периода задержки самовоспламенения в основном определяется температурой заряда на момент впрыска топлива, свойствами самого топлива, качеством его распыливания. Последнее в значительной степени зависит от показателей работы топливной аппаратуры.

Для получения заданного характера изменения давления в рабочем цилиндре нужно учитывать время, необходимое на предпламенные процессы. Для этого момент начала подачи топлива устанавливают раньше теоретически определенного момента начала тепловыделения на величину задержки самовоспламенения. На практике влияние периода задержки самовоспламенения на рабочий процесс учитывается путем установки угла опережения подачи φ_оп.

С увеличением φ_оп топливо в цилиндр впрыскивается раньше (точка 1` на рис. 5.22), что приводит к его более раннему воспламенению. В результате большее количество теплоты выделяется еще до прихода поршня в ВМТ, что приводит к более резкому возрастанию давления и росту его максимального значения. Рабочий процесс становится более динамичным и более жестким. С дальнейшим увеличением угла опережения такая тенденция будет ослабевать, так как топливо будет впрыскиваться в среду с более низкой температурой и давлением, а это приведет к увеличению периода задержки самовоспламенения.

С увеличением φ_оп экономичность дизеля сначала возрастает, так как некоторое увеличение работы сжатия до ВМТ с избытком компенсируется повышением термического КПД цикла вследствие подвода теплоты к рабочему телу при более высокой температуре. При больших значениях угла φ_оп работа сжатия существенно возрастает и становится больше, чем выигрыш в термическом КПД, поэтому экономичность дизеля падает.

С уменьшением угла φ_оп, особенно до значений, соответствующих началу сгорания топлива после ВМТ (точка 1` на рис. 1.2), происходит снижение механической напряженности двигателя, но одновременно снижается и его экономичность. Сгорание основной порции топлива смещается на линию расширения, что повышает температуру отработавших газов и теплонапряженность деталей цилиндропоршневой группы.

Очевидно, что угол опережения впрыска должен увеличиваться с повышением оборотов двигателя, чтобы обеспечить необходимый временной промежуток на протекание предпламенных процессов. Кроме того, изменение нагрузки на двигатель, давление наддува, внешних условий, сорта топлива могут потребовать корректировки угла опережения подачи топлива.

Угол опережения является важным параметром воздействия на показатели рабочего процесса, экономичность двигателя, его экологические показатели. В этой связи основная масса топливных систем современных судовых дизелей оборудуются устройствами для автоматического изменения данного параметра в зависимости от режима работы двигателя. Устройство таких систем нами было рассмотрено в предыдущих разделах. Следует отметить, что наиболее полно реализовать принцип выбора оптимального угла опережения удается только в системах с электронным управлением топливоподачей.

В ряде современных высоко- и среднеоборотных дизелей предусмотрено изменение характера протекания рабочего процесса в зависимости от нагрузочно-скоростного режима. В частности, переход с классического цикла со смешанным подводом теплоты на режимах малых и средних нагрузок на цикл Миллера на режимах нагрузок, близких к максимальным.

Такой переход сопровождается одновременным изменением фаз газораспределения и топливоподачи. На рисунке 5.23 представлен вариант технического решения, позволяющего осуществлять такой переход, который разработан фирмой MaK и реализован в двигателях серий M 20–M 43.

Рис.1.2. Механизм угла опережения впрыска и фаз газораспределения двигателя

Принцип работы устройства основан на изменении положения ролика рычажного толкателя относительно кулачковой шайбы распределительного вала. Для этого ось рычага закреплена эксцентрично на валу, который имеет возможность проворачиваться на угол, близкий к 180°. В результате толкатель совершает поступательное движение, изменяя угол опережения подачи топлива и углы начала открытия и закрытия впускного клапана.

Привод эксцентричных валов роликовых толкателей осуществляется от пневматического серводвигателя через систему шестерен. Предусмотрен также и ручной перевод двигателя с одного режима на другой.

Изменение угла опережения в данной конструкции позволяет не только обеспечить оптимальный закон тепловыделения на режиме максимальной мощности, но и улучшить условия распыливания топлива при снижении нагрузки за счет смещения начала впрыска на более скоростной участок подъема плунжера.

Рис.1.3. Центробежная муфта изменения угла опережения впрыска

На высокооборотных двигателях, которые работают на разных скоростных режимах, находят применение автоматические муфты опережения впрыска центробежного типа. Они предназначены для автоматического изменения угла опережения впрыска топлива при изменении числа оборотов коленчатого вала двигателя. Схематически работа такой муфты показана на рисунке 5.25. В корпусе муфты, через который осуществляется ее привод, смонтирована полумуфта, через которую приводится вал ТНВД блочного типа. Полумуфта имеет выступы, которые с одной стороны нагружены пружинам, а с другой упираются в эксцентрики, выполненные на неуравновешенных грузах. Таким образом, полумуфта занимает определенное положение относительно корпуса. При увеличении частоты вращения на неуравновешенную часть грузов начинает действовать центробежная сила. Под действием этой силы грузы, преодолевая усилие пружин, раздвигаются и через эксцентрики, проворачивая полумуфту на угол γ против направления вращения корпуса, изменяют тем самым угол опережения подачи.

Продолжительность впрыскивания (угол φ_ппф) также оказывает большое влияние на рабочий процесс. Для повышения экономичности и снижения температуры отработавших газов необходимо обеспечить сравнительно небольшое значение угла φ_ппф на номинальном режиме. Этот угол можно уменьшить путем увеличения максимального давления впрыска или увеличения эффективного проходного сечения распылителя. В первом случае возрастут механические нагрузки на детали топливной аппаратуры, а во втором — на режимах малых нагрузок будет низкое давление впрыскивания, что приведет к ухудшению распыливания топлива.

Страницы 1 2