Регулирование вредных выбросов в атмосферу и сертификация судовых дизелей

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 NO_x. 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» (ЕlАРР);
• судну выдается сертификат «О предотвращении загрязнения воздуха» (lАРР).

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 NO_x 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 заводе-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 NO_x, то может быть подобрано и установлено оборудование для снижения выбросов NO_x. 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 NO_x 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 NO_x;
• идентификация полных диапазонов допустимых регулировок; полная опись связанных с выбросами NO_x показателей дизеля, включая номинальные значения мощности и частоты вращения;
• описание процедур, предназначенных для подтверждения соответствия нормам выбросов NO_x 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 NO_x; 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 NO_x. 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 NO_x, например, через конструкцию газовоздушных трактов или очистного оборудования. Если в производстве имеются Технология обработки судового топливасудовые дизели, обладающие другими особенностями, способными отразиться на выбросах NO_x, 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 NO_x (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 высокое 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 NO_x.

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 NO_x);
• 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 NO_x освидетельствуется либо методом сверки параметров, либо непосредственными измерениями на борту судна. Допускается также в качестве доказательной базы использовать результаты измерений выбросов NO_x, 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 NO_x, 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 таблице.

Следует обратить внимание на то, что в аналогичном ГОСТ 24585 даются менее жесткие, допустимые отклонения измерений концентраций NO_x, 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.

Характеристики вредных выбросов

В соответствии с международным стандартом ИСО используются следующие характеристики для измерения эмиссии вредных выбросов ДВС:

• состав газообразных выбросов C_i, %;
• скорость выделения выбросов E_i, кг/ч;
• удельный выброс e_i, кг/(кВт·ч);
• выброс вредного компонента на 1 кг топлива e_i, кг/кг топлива.

Характеристики вредных выбросов связаны между собой следующими соотношениями:

где:

• G_т – расход топлива на двигатель, кг/ч;
• N_e – эффективная мощность двигателя, кВт;
• g_e – удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт·ч);
• G_г – массовый расход газов, кг/ч;
• k – коэффициент, равный отношению молекулярной массы газов к молекулярной массе вредного компонента, т. е. k = μ_т/μ_i

Например, для окислов азота μ_т = 29,3; μ_NOx = 44,4, тогда k ≈ 0,66;

Расход газов через двигатель можно представить следующим образом, где:

• φ_a – коэффициент продувки;
• α – коэффициент избытка воздуха при сгорании;
• L₀ – теоретическая масса воздуха, необходимая для сгорания 1 кг топлива,

После подстановки последней формулы в уравнение для C и несложных преобразований получим:

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 C приводят (пересчитывают) к концентрации избыточного кислорода в сухих отработанных газах (после конденсации паров H₂O), равной 15 %.

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 Дизельное топливо и его эксплуатационные свойстварежима работы дизеля. Например, если главный дизель нагружен винтом регулируемого шага, то для снижения эмиссии NO_x малый и средний ход целесообразно осуществлять в режиме постоянной частоты вращения (n = const), т. е. изменять скорость судна только путем изменения шага винта. Это позволит снизить выброс NO_x, на 10-20 % по сравнению с режимами комбинаторной кривой.

В целом, благодаря применению первичных методов, реально достичь снижения эмиссии NO_x 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 NO_x, но влечет за собой увеличение удельного расхода топлива. Так, 10-процентное снижение уровня NO_x вызовет дополнительно 2-процентное увеличение расхода топлива;
• управление подачей топлива. Для управления началом подачи топлива с целью снижения NO_x 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 распыливанию топлива и улучшению смесеобразования, в результате чего содержание NO_x 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 NO_x;
• 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 топливоподачи);
• 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 ранее, 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 NO_x 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 NO_x, сернистый и серный ангидриды SO₂ и SO₃ 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 H₂O → NC_x → HNO₃);
• нейтрализация азотной кислоты в фильтрующих элементах [по реакции HNO₃ + (щелочь) → (Ca)NaNO₄ + H₂O];
• 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 применяются конструкции нейтрализаторов, где в качестве средства для снижения NO_x 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 (HC) 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 NO_x на 20-30 %, а СО и легких углеводородов на 40-60 %.

Читайте также: Повышение эффективности топливоиспользования в дизелях

Ранее готовились дополнительные испытания в судовых условиях нейтрализаторов конструкции ЦНИДИ и «Эко-нейтраль». Относительная стоимость этих устройств применительно к наиболее распространенным на речном флоте двигателям 6415/18 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 NO_x связаны с удорожанием стоимости дизелей в изготовлении, некоторым ростом расходов на обслуживание при эксплуатации и повышением расхода топлива.

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 NO_x оказывает угол задержки впрыска топлива. По данным фирмы MAH-«Бурмейстер и Вайн» впрыск топлива при 8° п.к.в. после ВМТ приводит к снижению выбросов приблизительно на 25-30 % на различных нагрузках (рис. 1).

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 CO₂/CO и H₂O/H₂ в продуктах сгорания. Вследствие этого, увеличивается отдача энергии от продуктов сгорания в процессе расширения и уменьшается g_e. Например, при стехиометрическом составе топливовоздушной смеси и максимальной температуре цикла T_z = 2 778 К повышение p_z от 9 до 17 МПа приводит к увеличению CO₂/CO с 5,5 до 6,6 и к уменьшению g_e на 20 г/(кВт·ч). Следовательно, целесообразны компромиссные решения при выборе p_z в пределах допустимых из условий прочности деталей дизеля, экономичности и необходимой токсичности. Увеличение потерь на трение при том несущественно влияет на g_e.

Повышение T_z увеличивает диссоциацию CO₂ и H₂O с образованием CO и H₂, вследствие чего увеличивается g_e. Поэтому желательно уменьшение T_z при том же g_e. В дизелях с ТК применение охлаждения наддувного воздуха уменьшает T, что приводит к увеличению соотношений CO₂/CO и H₂O/H₂, а в результате – к снижению g_e. При этом уменьшается также количество NO_x в ОГ.

Величина объема цилиндра V_h влияет на теплоотдачу и трение в цилиндре. При уменьшении V_h уменьшается g_e. При неразделенной камере сгорания КС отмечено наиболее резкое изменение g_e в мало- и среднеразмерных дизелях, с V_h от 25,7 до 2 400 см³. Так, с уменьшением V_h от 100 до 1,0 литра увеличивается g_e с 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, g_e 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 V_h, а это возможно при увеличении хода поршня и диаметра цилиндра Д.

С увеличением Д уменьшается g_e. Например, в дизелях с неразделенной КС изменение Д от 50 до 80 мм приводит к снижению g_e с 350 до 260 г/(кВт·ч), а при Д = 140 мм – до 175 г/(кВт·ч).

Уменьшение g_e 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 g_e. Например, в дизелях с неразделенной КС и Д = 400 мм увеличение S/D от 1,0 до 1,5 приводит к уменьшению g_e на 15 г/(кВт·ч).

Причина заключается в уменьшении поверхностей F, образующих КС, к полному объему цилиндра V_a при увеличении V_a из-за увеличения S при Д = const. В рассмотренном случае увеличение S/D от 1 до 4 привело к уменьшению F_cV_a с 0,53 до 0,15. В результате уменьшилась относительная теплоотдача в стенки КС. Изменение V_h при больших значениях этого параметра не оказывает существенного влияния на g_e.

В сравнении с дизелями с неразделенной КС, при разделенной КС намного больше теплоотдача в ее стенки, вследствие увеличенной площади F_c. Однако на долю этого фактора приходится лишь небольшая часть увеличения g_e. В шесть раз больше потери энергии обусловлены тем, что во вспомогательных камерах при сгорании образуются большие количества CO и H₂, которые после поступления в основную КС медленно окисляются до CO₂ и H₂O. В результате уменьшается степень отдачи энергии отчасти продуктов сгорания при ходе расширения.

Одна из причин повышения g_e 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 CO₂/CO и H₂O/H₂ 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 2 400 до 2 100 К. Следовательно, для уменьшения дымления желательно раннее впрыскивание топлива, а для уменьшения выброса NO_x впрыскивание должно быть поздним. Однако, в последнем случае увеличивается g_e. Чтобы уменьшить и дымление и выброс NO_x, поддерживая также низкий уровень g_e, 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 η_e может быть получено при давлении 150 МПа. При росте давления с 50 до 150 МПа η_e повышается на 28 %, уменьшается дымность ОГ в 4,75 раза, выброс CH в 1,6 раза и выброс NO_x 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. 2 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 C_NOx при работе на винт в среднем больше на 20 %, чем при постоянной частоте вращения. Подобная картина характерна и для МОД.

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 NO_x (low NO_x).

Распылители имеют такую конструкцию, которая обеспечивает низкий удельный расход топлива с равномерной и низкой температурой и напряженностью деталей камеры сгорания.

Сопловый наконечник low NO_x отличается от стандартного количеством, диаметром и расположением сопловых отверстий. Так, двигатель S50МС со стандартным распылителем имел 4 отверстия, диаметром 1,15 мм, а распылитель low NO_x – 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 CH. 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. Основные элементы топливной аппаратуры судовых дизелей Конструкции распылителей форсунки МОД).

На рис. 3 показаны результаты испытаний различных типов двигателей со стандартными и новыми распылителями.

Такая модернизация форсунок позволила снизить содержание NO_x в выхлопных газах, для различных типов малооборотных двигателей фирмы МАН – «Бурмайстр и Вайн», от 10 до 25 %. Все двигатели фирмы, за исключением двигателя L70МС, 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 NO_x, потребовало также увеличения расхода воздуха, что должно приниматься во внимание при регулировке турбокомпрессора. Если модернизация двигателя с установкой сопел низкого NO_x производится в эксплуатации, то может потребоваться перестройка турбокомпрессора, но это должно решаться для каждого конкретного случая.

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. статью Топливные системы высокого давления в судовых двигателяхТНВД – топливная система высокого давления и ее применение), что не удается выполнить в традиционной схеме с определенной формой топливной шайбы на распределительном валу.

У современных малооборотных двигателей оптимальная продолжительность 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, аккумуляторная система впрыска с электронным управлением может иметь регулируемый 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. 4).

Испытания, проведенные фирмой на исследовательском двигателе 4Т50МХ, показали, что традиционная система впрыска с распределительным валом является наилучшей в отношении удельного расхода топлива (рис. 5, б), но не является оптимальной с точки зрения содержания NO_x. Система двойного впрыска повышает удельный расход топлива примерно на 1 г/кВт·ч, но при этом снижает эмиссию на 20 % (рис. 5, а). Таким образом, достигается компромисс между снижением NO_x и возрастанием удельного расхода топлива.

Существенный эффект для снижения эмиссии NO_x 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 NO_x, образующихся в цилиндре. Однако перепуск газов ведет к снижению коэффициента избытка воздуха при сгорании, 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 SO_x. При наличии значительного количества паров воды в наддувочном воздухе будет происходить интенсивное образование серной кислоты в воздушном тракте и цилиндрах при продувке.

Рециркуляция части отработанных газов, хотя и является эффективным средством уменьшения образования NO_x (рис. 6), 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.