Сайт нуждается в вашей поддержке!
Категории сайта

Регулирование вредных выбросов в атмосферу и сертификация судовых дизелей

Присоединяйтесь к нашему ТГ каналу!

Количество вредных выбросов дизелем напрямую зависит от конструкции дизеля, поэтому судовладельцы не могут оказать существенного воздействия на уровни этих выбросов. Однако, во время эксплуатации эмиссия вредных выбросов напрямую зависит от вида используемого топлива, соблюдения регулировочных параметров, состояния топливной аппаратуры, системы воздухоснабжения и т. д., а также от применения на судне вторичного метода снижения эмиссии.

В связи с принятием соответствующих законодательных актов (см. пункт 5.2) вводится сертификация судовых дизелей на соответствие выбросам NOx. Целью Кодекса является установление соответствия этим нормам при освидетельствовании и сертификации судовых дизелей.

Факт соответствия судового дизеля нормам Кодекса по результатам сертификационных испытаний, которые проводит аккредитованная Регистром организация (аккредитован может быть и производитель дизеля), удостоверяется Регистром выдачей двух международных сертификатов:

При этом последний выдается в ходе освидетельствования всех установленных на судне дизелей, мощностью более 130 кВт.

Кодекс предусматривает следующие виды освидетельствований судовых дизелей:

Сертификация дизеля должна производиться на заводе-изготовителе двигателя, но в особых случаях может происходить на борту судна одновременно с первоначальным освидетельствованием. Такие особые случаи возникают, когда двигатели вследствие их размеров, конструкции или режима поставки не могут быть сертифицированы на испытательном стенде.

Для освидетельствования дизелей на соответствие нормам выбросов NOx в Кодексе предлагается пять методов, а именно:

Право выбора метода сертификации и последующих освидетельствований закреплено за изготовителем дизеля, судостроителем или судовладельцем.

Если в результате сертификационных испытаний выявляется несоответствие дизеля нормам выбросов NOx, то может быть подобрано и установлено оборудование для снижения выбросов NOx. Такое оборудование, будучи установленным, должно признаваться как существенный, неотъемлемый компонент дизеля, и его наличие должно быть зафиксировано в Техническом досье двигателя (ТДД). Для получения сертификата EIAPP дизелем в комплектации с оборудованием для снижения выбросов необходимы повторные испытания, которые допускается проводить методом упрощенных измерений. Сведения об оборудовании для снижения выбросов NOx должны быть внесены в сертификат EIAPP, а в ТДД должны быть указаны процедуры контроля нормальной работы этого оборудования.

ТДД – это новый документ, который представляет собой экологический паспорт судового дизеля, подготавливается его изготовителем, подлежит одобрению Регистром и требуется для сопровождения дизеля в течение всего срока его судовой службы.

Для обеспечения возможности освидетельствования дизеля Регистром ТДД должно содержать, как минимум, следующую информацию:

Система контроля и освидетельствования дизеля на судне должна обеспечивать простоту процедуры и доступность для осмотра и проверки всех контролируемых узлов и регулировок, что ставит новые задачи конструктору при создании дизеля.

С цёлью упрощения процедуры сертификации серийно выпускаемых дизелей, кодекс предлагает использовать одну из двух концепций: семейства или группы, которые соответствуют ISO 8178. В случае применения этих концепций сертификационные стендовые испытания требуются только для характерного представителя группы или семейства, имеющего наибольшие выбросы NOx. При этом обязательной является процедура доказательства правильности выбора характерного представителя, подразумевающая проведение специальных исследований и демонстрацию их результатов Регистру.

Концепция группы может быть применена для дизелей мелкосерийного производства с одинаковой областью применения, которые требуют незначительных конструктивных изменений и настроек регулируемых элементов при установке на судне. Как правило, это мощные главные судовые двигатели.

Семейство серийных двигателей объединяется общностью их основных конструктивных признаков, а именно:

Число и расположение цилиндров могут стать объединительным признаком лишь в тех случаях, когда это влияет на уровень выбросов NOx, например, через конструкцию газовоздушных трактов или очистного оборудования. Если в производстве имеются Технология обработки судового топливасудовые дизели, обладающие другими особенностями, способными отразиться на выбросах NOx, то такие особенности должны быть выявлены и учтены при образовании семейства.

Методы образования семейства и выбора головного двигателя должны быть согласованы и одобрены Регистром. Изготовитель дизеля несет ответственность за отбор двигателей для включения их в семейство из имеющейся номенклатуры.

В качестве головного члена семейства двигателей должен быть отобран такой, конструктивные и прочие особенности которого, известные из инженерного анализа и экспериментальных исследований, обусловливают наиболее высокий удельный средневзвешенный выброс NOx (г/кВт·ч). Это требует детальных знаний характеристик всех двигателей, включаемых в состав семейства. Допускается представление семейства двумя (и более) головными двигателями.

При выборе головного двигателя в семействе, кодекс рекомендует пользоваться следующими критериями:

Дополнительные критерии:

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:

Выбор головного в группе дизелей, производимых мелкими сериями и имеющих достаточно высокое подобие между собой, может отличаться от выбора головного двигателя семейства. Так, в качестве головного двигателя группы, может быть зарегистрирован первый заказанный изготовителю дизель. Метод выбора головного двигателя группы должен быть согласован и одобрен Регистром.

Как уже упоминалось, отличительной особенностью группы является допустимость изменений регулировок и компонентов дизелей после их установки на судне. Значимость произведенных изменений на показатели выбросов NOx освидетельствуется либо методом сверки параметров, либо непосредственными измерениями на борту судна. Допускается также в качестве доказательной базы использовать результаты измерений выбросов NOx, полученных на испытательном стенде при аналогичных изменениях регулировок и компонентов дизеля.

Характерные примеры регулировок и конструктивных изменений дизеля, разрешенных Кодексом внутри группы, приведены ниже:

Приведенные примеры изменений дизеля на судне после его стендовых испытаний относятся к существенным. Это один из основных аргументов в пользу применения концепции группы двигателей. Получив заявку, Регистр может признать результаты демонстрационных испытаний, выполненных на одном двигателе (возможно исследовательском) и показывающих влияние регулировок и модернизаций на уровень выбросов NOx, и распространить их на все двигатели из группы без проведения сертификационных испытаний каждого ее члена.

При проведении испытаний на выбросы, желательно, чтобы дизель был оборудован теми же вспомогательными устройствами, которые будут использоваться на судне.

Однако, для ряда дизелей вспомогательное оборудование, которое может быть установлено в эксплуатации, неизвестно при сертификации. Поэтому базовой мощностью при расчетах удельных средневзвешенных выбросов принята «не скорректированная эффективная мощность». Под коррекцией мощности подразумевается поправка измеряемой мощности с учетом параметра атмосферных условий и конструктивных особенностей двигателя. Эта мощность поясняется в Кодексе с помощью нескольких положений:

Кодекс выдвигает весьма жесткие требования к точности измерений показателей, необходимых для расчета выбросов. Предельно допустимые относительные погрешности основных измеряемых величин должны соответствовать таблице.

Погрешности измеряемых величин
Параметр двигателяДопустимая относительная погрешность
(+ % к максимальному значению)
Интервалы между
поверками (мес.)
Частота вращения23
Крутящий момент23
Мощность2
Расход топлива26
Расход воздуха26
Концентрация NOx

Следует обратить внимание на то, что в аналогичном ГОСТ 24585 даются менее жесткие, допустимые отклонения измерений концентраций NOx, несмотря на единство требуемого метода анализа – с помощью нагреваемого хемилюминесцентного детектора. Это расхождение обусловлено тем, что отечественные изготовители газоаналитической аппаратуры регламентируют совокупную погрешность прибора в сочетании с устройствами пробоподготовки, а в Кодексе указывается погрешность собственно детектора.

Таким образом, новые международные требования к обязательной сертификации судовых дизелей по показателю выбросов ставят перед производителями судовых дизелей задачу проведения в очень сжатые сроки серьезной подготовки к обеспечению этих требований. Эта подготовка предусматривает как разработку новой технической документации (техническое досье, концепция семейства или группы), так и существенную модернизацию моторных стендов для сертификации судовых дизелей, включая оснащение их современными средствами контроля выбросов.

Характеристики вредных выбросов

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

Характеристики вредных выбросов связаны между собой следующими соотношениями:

Ei = εi Gт; ei = Ei/Ne;
ei = εi ge ; Ci = kEiGг 100,

где:

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

CNOx = 0,66 ENOxGг · 100.

Расход газов через двигатель можно представить следующим образом, где:

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

Ci = kei/(αφaL0 + 1).

Из этой формулы следует, что объемная концентрация вредных компонентов в отработанных газах зависит от степени разбавления воздухом, поэтому для сравнения уровня их эмиссии для различных дизелей величину 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:

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 NOx 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 NOx, на 10-20 % по сравнению с режимами комбинаторной кривой.

В целом, благодаря применению первичных методов, реально достичь снижения эмиссии NOx на 30-50 %. В том случае, если международным законодательством будут введены более жесткие требования по ограничению выбросов, первичных методов будет недостаточно и будет необходимо использовать вторичные методы или их комбинацию с первичными.

Вторичные методы направлены на удаление вредных выбросов из выпускных газов и осуществляются вне цилиндра двигателя.

Все технические мероприятия, относящиеся к первичным методам, можно подразделить на следующие основные группы:

Топлива с улучшенными свойствами по сравнению с аналогичными топливами, вырабатываемыми ранее, должны быть:

Следует отметить, что многие из перечисленных методов снижения эмиссии NOx приводят к некоторому ухудшению экономических характеристик двигателя, так как происходит снижение термического КПД цикла.

Применяемые первичные методы позволяют в значительной мере снизить содержание в выпускных газах экологически опасных веществ. Тем не менее, какое-то их количество образуется и выбрасывается вместе с газами в окружающую среду. Это прежде всего окислы азота NOx, сернистый и серный ангидриды 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:

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 NOx используется аммиак или мочевина.

Однако эти системы сложны, дорогостоящи (до 15 % стоимости силовой установки) и крупногабаритны, что затрудняет их размещение в машинных отделениях речных судов. Основным конструкционным материалом нейтрализатора и фильтра-катализатора, предлагаемого для судов речного флота, является блочная сотовая высокопористая и термостойкая керамика. Ее важнейшим достоинством считается не только способность улавливания твердых аэрозольных частиц сажи и тяжелых углеводородов (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 NOx 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:

Однако следует иметь в виду, что все технологии уменьшения NOx связаны с удорожанием стоимости дизелей в изготовлении, некоторым ростом расходов на обслуживание при эксплуатации и повышением расхода топлива.

Влияние регулировочных, конструктивных и эксплуатационных параметров на экологию и экономичность дизеля

Если существующий двигатель не удовлетворяет Правилам IMO, то ему не выдается сертификат о предотвращении загрязнения двигателем воздуха. Такой двигатель должен пройти дополнительные стендовые испытания для доводки экологических параметров. Они включают исследования влияния конструктивных изменений или регулировочных параметров на вредные выбросы.

Значительное влияние на выбросы NOx оказывает угол задержки впрыска топлива. По данным фирмы 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).

График снижения выбросов
Рис. 1 Влияние угла задержки впрыска топлива на выбросы NO, и экономичность на различных нагрузках.
◆ – 25 % Ne; ■ – 50 % Ne; ◣ – 75 % Ne; x – 100 % Ne

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 ge. Например, при стехиометрическом составе топливовоздушной смеси и максимальной температуре цикла Tz = 2 778 К повышение pz от 9 до 17 МПа приводит к увеличению CO2/CO с 5,5 до 6,6 и к уменьшению ge на 20 г/(кВт·ч). Следовательно, целесообразны компромиссные решения при выборе pz в пределах допустимых из условий прочности деталей дизеля, экономичности и необходимой токсичности. Увеличение потерь на трение при том несущественно влияет на ge.

Повышение Tz увеличивает диссоциацию CO2 и H2O с образованием CO и H2, вследствие чего увеличивается ge. Поэтому желательно уменьшение Tz при том же ge. 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 ge. При этом уменьшается также количество NOx в ОГ.

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

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

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

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

В сравнении с дизелями с неразделенной КС, при разделенной КС намного больше теплоотдача в ее стенки, вследствие увеличенной площади Fc. Однако на долю этого фактора приходится лишь небольшая часть увеличения ge. 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 ge 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 NOx впрыскивание должно быть поздним. Однако, в последнем случае увеличивается ge. Чтобы уменьшить и дымление и выброс NOx, поддерживая также низкий уровень ge, 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 ηe может быть получено при давлении 150 МПа. При росте давления с 50 до 150 МПа ηe повышается на 28 %, уменьшается дымность ОГ в 4,75 раза, выброс CH в 1,6 раза и выброс NOx в 8,1 раза.

Вследствие изменения условий смесеобразования и сгорания топлива в цилиндре при работе дизеля на различных скоростных и нагрузочных режимах, меняются количества выделяемых с отработавшими газами вредных компонентов. На рис. 2 приведена типичная картина эмиссии окислов азота судовым четырехтактным дизелем VASA 32 (фирма Vartsila) при работе по винтовой и нагрузочной характеристикам.

График работы по винтовой и нагрузочной характеристике
Рис. 2 Эмиссия окислов азота с отработанными газами судового СОД при работе на режимах нагрузочной (2) и винтовой (1) характеристик

Из сопоставления кривых для одних и тех же нагрузок видно, что CNOx при работе на винт в среднем больше на 20 %, чем при постоянной частоте вращения. Подобная картина характерна и для МОД.

Влияние конструктивных факторов топливной аппаратуры и рециркуляции газов на содержание окислов азота и экономичность

Наиболее ощутимый эффект по снижению вредных выбросов без снижения экономичности двигателя и повышения температурной напряженности дают изменения конструкции топливной аппаратуры. Так, фирма МАН – «Бурмейстер и Вайн» предлагает заменить существующие распылители форсунок на распылители, дающие низкое содержание NOx (low NOx).

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

Сопловый наконечник low NOx отличается от стандартного количеством, диаметром и расположением сопловых отверстий. Так, двигатель S50МС со стандартным распылителем имел 4 отверстия, диаметром 1,15 мм, а распылитель low NOx – 6 отверстий, диаметром 0,95 мм и измененные углы их расположения. Выбор количества, проходных сечений отверстий и углов осуществлялся вначале расчетным методом по программе оптимизации, а затем проводилась экспериментальная проверка на двигателе.

Относительно большой объем между распыливающими отверстиями и запорной иглой форсунки в стандартной конструкции имеет отрицательное влияние на образование частиц сажи и 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.

Шкала результатов испытаний двигателя
Рис. 3 Эмиссия NOx малооборотных двигателей.
▬ – стандартный распылитель; ▭ – распылитель Low NOx; – предельные значения по IMO

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

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).

График подьема иглы и впрыска
Рис. 4 Подъем иглы форсунки и форма впрыска.
1 – подъем иглы форсунки; 2 – давление впрыска.
а – традиционная с распределительным валом; б, в, г – аккумуляторная с электронным управлением соответственно с нарастанием давления при постоянном давлении и с двойным впрыском

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 NOx. 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 NOx и возрастанием удельного расхода топлива.

График влияния формы впрыска
Рис. 5 Влияние формы впрыска на эмиссию NOx (а) и экономичность двигателя (б).
1 – при постоянном давлении впрыска; 2 – двойной впрыск; 3 – традиционная, с распределительным валом

Существенный эффект для снижения эмиссии NOx может быть достигнут при рециркуляции части отработанных газов из выпускной системы на всасывание центробежного компрессора. При этом уменьшается концентрация кислорода в смеси газов в цилиндре, возрастают теплоемкость и газовая постоянная рабочего тела и, как следствие, уменьшается температура газов в цилиндре при сгорании топлива. Оба фактора обусловливают уменьшение количества NOx, образующихся в цилиндре. Однако перепуск газов ведет к снижению коэффициента избытка воздуха при сгорании, поэтому такой способ применим, когда имеется достаточный запас по воздуху (например, на малых нагрузках). В дизелях, работающих на высокосернистых топливах, этот способ неприемлем, так как в отработанных газах, перепускаемых на всасывание, содержится значительное количество SOx. При наличии значительного количества паров воды в наддувочном воздухе будет происходить интенсивное образование серной кислоты в воздушном тракте и цилиндрах при продувке.

Рециркуляция части отработанных газов, хотя и является эффективным средством уменьшения образования NOx (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.

График рециркуляции газов
Рис. 6 Влияние рециркуляции выпускного газа на эмиссию NOx малооборотных дизелей

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.

Сноски

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Апрель, 07, 2023 529 0
Добавить комментарий

Текст скопирован
Пометки
СОЦСЕТИ