Некоторые закономерности образования сажи в цилиндрах судовых дизелей

УДК 621.436

В. И. Одинцов, Д. Ю. Глазков

НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ САЖИ В ЦИЛИНДРАХ СУДОВЫ1Х ДИЗЕЛЕЙ

Проведён анализ условий образования сажи в цилиндрах судовых дизелей с объёмным способом смесеобразования. На основе литературных данных отмечено, что в струе распыленного топлива по сечению и по длине наблюдается неоднородное распределение капель топлива. Количество и температура воздуха в топливной струе по мере приближения к оси снижаются, а диаметр капель увеличивается в несколько раз. Интенсивный прогрев топливовоздушной среды в струе (после начала сгорания) сопровождается образованием сажи при недостатке воздуха. С целью установления закономерностей были проведены эксперименты на 1-цилиндровом отсеке двигателя типа Ч 17,5/24 (NVD24). Результаты эксперимента обработаны относительно индикаторной мощности и групп параметров В, С и D, учитывающих влияние диаметра и количества сопловых отверстий, давления топливоподачи, характеристик топлива, коэффициента избытка воздуха, среднего давления и температуры рабочего тела в цилиндре дизеля. Установлено их влияние на образование сажи.

Ключевые слова: судовые дизели, закономерности сажеобразования.

Введение

Как известно, в отработавших газах судовых дизелей содержится ряд токсичных составляющих: оксид углерода, окислы азота, углеводородные соединения, альдегиды, сажа (С). Токсичные составляющие загрязняют окружающую среду и оказывают вредное воздействие на её состояние. Предельно допустимая концентрация сажи составляет С = 0,000 038 мг/л. С целью снижения количества сажи и её вредного воздействия на окружающую среду, а также сокращения расхода топлива (потери от недогорания) необходимо установить зависимости, отражающие влияние действующих факторов на её образование в цилиндрах дизелей.

Условия образования углерода

Судовые двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия (дизели) имеют преимущественно струйный (объёмный) способ смесеобразования. При таком способе из каждого соплового отверстия вытекает струя распыленного топлива с неоднородным распределением капель по сечению и длине, а также с неравномерной концентрацией воздуха.

Если на поверхности топливных струй располагаются наиболее мелкие капли, которые в первую очередь отделяются, затормаживаются и испаряются, то по мере приближения к оси и фронту струи концентрация топлива и диаметр капель растут, а количество воздуха и его температура уменьшаются [1, 2]. Вследствие этого необходимое условия для самовоспламенения топлива (количество воздуха и высокая температура к концу сжатия) складываются только на поверхности топливных струй.

Как известно, первичные очаги пламени образуются в период топливоподачи в нескольких точках на поверхности каждой топливной струи в начальной, приближенной к сопловому отверстию, части. От первичных очагов пламя распространяется по наружной поверхности топливных струй и в течение короткого интервала времени (около 0,6 м/с) охватывает всю поверхность, включая головную часть. Происходит прогрев топливно-воздушной смеси в струе.

Следовательно, поверхность топливных струй является границей, через которую осуществляется тепломассообмен. Внутри топливных струй, при недостатке воздуха, создаются условия для образования сажи.

В качестве показателя, характеризующего качество распыливания топлива, можно применить [3]:

КрЕ = -^ФЕ^ц ,

где FфY. - суммарная площадь поверхности топливных струй в конце процесса топливоподачи, gц - цикловая подача топлива.

Чем больше сопловых отверстий в распылителе (распылителях при нескольких форсунках в цилиндре), чем выше давление впрыскивания топлива и чем меньше диаметр сопловых отверстий (при прочих равных условиях и постоянной цикловой подаче), тем больше Fф^L и КрЕ-В этом случае относительно большее количество топлива будет находиться вблизи поверхностного слоя, быстрее будет протекать процесс сгорания. При этом снизится относительное количество топлива, расположенное в зонах с минимальным коэффициентом избытка воздуха при сгорании, а время его нахождения сократится.

Применение тяжёлого топлива, содержащего большое количество ароматических углеводородов, сопровождается укрупнением капель при распыливании и, следовательно, увеличением относительного количества топлива, находящегося в зонах с недостатком кислорода.

Процесс образования сажи при сгорании топлива условно разделяется [4] на три основные фазы: образование зародыша, рост зародышей в частицы сажи, коагуляция первичных сажевых частиц. Скорость образования сажи определяется скоростью химических процессов, приводящих к возникновению зародыша (т. е. кинетикой процесса). Схема возможных механизмов (путей) образования сажи, согласно [4], показана на рис. 1.

При относительно низких температурах (менее 1500 К) преобладают реакции полимеризации и конденсации над реакциями дегидрогенизации. В этих условиях зародышами могут быть ароматические или полициклические соединения. При мгновенных температурах 2000-3500 К, [4, 5], соответствующих процессу сгорания в двигателях, происходит распад молекул.

Рядом экспериментальных исследований [4, 5] установлены концентрации окислителя (коэффициент избытка воздуха при сгорании а), при которых начинается выделение сажи из пламени. Величина а зависит от многих факторов (температуры и давления рабочего тела, качества топлива и качества его распыливания) и составляет 0,33-0,6 (рис. 2).

С увеличением температуры начало образования сажи сдвигается в сторону более богатых топливовоздушных смесей, а с увеличением давления - в сторону более бедных смесей. Установлено, что образование сажи зависит от свойств топлива. Чем выше молекулярная масса предельных и непредельных углеводородов с прямыми цепями, тем выше скорость образования сажевых частиц.

Установлена также взаимосвязь между содержанием серы в топливе с составом сажи. Так, при сжигании топлива с концентрацией серы 0,05 %, её количество в нагаре - 0,7 %, а при увеличении сернистости топлива до 1 % количество серы в отложениях - 2,4 %. Отмечается, что до 50 % отложений растворяются в сероуглероде, что говорит о наличии ароматических колец

Агломерация

Рис. 1. Схема возможных механизмов образования сажи

и карбонильных групп. Наблюдается явление, когда при большой нагрузке топливо, богатое ароматическими углеводородами, даёт меньше дыма, чем топливо, имеющее в своем составе парафины. Это связано с более длительным периодом задержки воспламенения топлива с ароматическими углеводородами, из-за чего смесь в камере сгорания до начала воспламенения становится более гомогенной [4].

50 40

„ 30 и

20 10 0

1400

Рис. 2. Изменение концентрации сажи в зависимости от коэффициента избытка воздуха и среднемассовой температуры газов в цилиндре [5]

В процессе и после образования сажевых частиц происходит их выгорание в реакциях с гидроксильными группами и кислородом. В дизелях в основном происходит прямое окисление сажи. Скорость выгорания сажи зависит от размеров частиц (поверхности). Было определено [4], что имевшаяся в пламени сажа может выгореть только в том случае, если размеры частиц не будут превышать 100 А°

Исследования образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля, выполненные методом спектрального анализа, показали, что значительная часть сажи выгорает в процессе расширения [5]. Выделение сажи с отработавшими газами дизеля зависит как от процесса образования, так и от процесса её выгорания. С увеличением турбулентности в цилиндре дизеля скорость выгорания увеличивается. Образование сажи в дизелях может происходить также при попадании струй топлива на сравнительно холодные стенки цилиндра.

Экспериментальное исследование

С целью выяснения закономерностей образования сажи проведены эксперименты по нагрузочной характеристике на двигателе 1Ч 17,5/24 (NVD24) с применением дизельного топлива ГОСТ 305-82. Для измерений применялся дымомер «Смог-1». Переход от измеряемой дымности к эмиссии сажи в г/(кВт • ч) осуществлялся с учётом результатов измерений расхода воздуха и зависимости, предложенной научно-исследовательским центром MIRA (Великобритания):

С = 10-6 х ^-2 х 10-5 х N + 2,4 х 10-3 х N + 0,0041,

где N - показатель дымности отработавших газов, замеряемый дымомером, %; С - концентрация сажи в отработавших газах, г/м3.

Результаты обработки представлены на рис. 3.

0,14 -0,12 -0,1 -Г 0,08 -

н

^ 0,06 -

о

0,04 -0,02 -

0 , , , ,

0 5 10 15 20 25

Ni, кВт

Рис. 3. Изменение эмиссии углерода при работе отсека по нагрузочной характеристике

Графическая зависимость с помощью программы MS Excel преобразована в математическую по методу наименьших квадратов с достоверностью R2 = 0,98.

C = - 8 х 10-5 х N3 + 0,003 х N2 - 0,0363 х N + 0,2311.

Однако такая зависимость раскрывает только качественную закономерность, не учитывающую в явном виде влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на характеристики процессов распыливания и сгорания топлива. В частности, не учитывается влияние диаметра и количество сопловых отверстий в распылителе, количество форсунок в цилиндре, давление топливоподачи, характеристика топлива, коэффициент избытка воздуха при сгорании, давление в цилиндре в период сгорания.

Для нахождения количественных зависимостей, учитывающих влияние вышеприведенных факторов, полученные экспериментальные данные были обработаны с применением показателей качества распыливания, смесеобразования и сгорания топлива в соответствии с моделью процессов, изложенной в [3] и [6]. После обработки с их учётом графическая зависимость принимает следующий вид (рис. 4).

0,12 0,1

* 0,08

Н

CQ

¡4

^ 0,06

CJ

0,04 0,02 0

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2

B, C, D

Рис. 4. Влияние характеристик процессов смесеобразования и сгорания на эмиссию сажи с отработавшими газами

С уменьшением суммарной величины произведения групп параметров (B, C, D) на режимах частичных нагрузок количество сажи в отработавших газах увеличивается, а с увеличением -снижается. Влияние групп параметров B, C, D на содержание сажи в отработавших газах может быть описано зависимостью, близкой к линейной. Аппроксимация проводилась в программе MS Excel по методу наименьших квадратов. Достоверность аппроксимации составила R2 = 0,9814.

-Ряді

-Линейный

-Ряді

• Полиномиальный

С = - 0,123(5, C, D) + 0,1884,

где В, С, D - группы параметров, характеризующих влияние диаметра и количества сопловых отверстий, количества форсунок в цилиндре, давления топливоподачи, характеристик топлива, коэффициента избытка воздуха при сгорании, среднего давления и среднемассовой температуры рабочего тела в цилиндре дизеля.

Заключение

Как видно из представленных данных, использованные при обработке показатели качества протекания процессов распыливания, смесеобразования и сгорания отражают закономерность изменения содержания углерода в отработавших газах дизеля. Таким образом, группы параметров В, С, D, учитывающие влияние ряда конструктивных и эксплуатационных факторов на процессы распыливания, смесеобразования и сгорания, могут применяться для исследования процессов образования сажи на этапах проектирования и эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания / И. В. Возницкий, А. С. Пунда. М.: Моркнига, 2010. 382 с.

2. Марков В. А. Впрыскивание и распыливание топлива в дизелях / В. А. Марков, С. А. Девянин, В. И. Мальчук. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. 360 с.

3. Одинцов В. И. Рабочий процесс судовых ДВС / В. И. Одинцов. Калининград: Изд-во БГАРФ, 2010. 141 с.

4. Брозе Д. Д. Сгорание в поршневых двигателях / Д. Д. Брозе. М.: Машиностроение, 1969. 247 с.

5. Кавтарадзе Р. З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы: учеб. для вузов / Р. З. Кав-таридзе. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 720 с.

6. Одинцов В. И. Алгоритм расчёта рабочего процесса судовых дизелей с учётом утечек рабочего тела / В. И. Одинцов, А. С. Зубаков, М. К. Корнев // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2013. № 2. С. 131-136.

Статья поступила в редакцию 22.06.2014, в окончательном варианте - 22.08.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Одинцов Виктор Иванович — Россия, 236035, Калининград; Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет»; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Судовые энергетические установки»; seu@bga.gazinter.net.

Глазков Дмитрий Юрьевич — Россия, 236035, Калининград; Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет»; соискатель кафедры «Судовые энергетические установки»; 2338697@rambler.ru.

V. I. Odintsov, D. Yu. Glazkov

SOME REGULARITIES OF SOOT FORMATION IN CYLINDERS OF MARINE DIESELS

Abstract. The conditions for the formation of soot in the cylinders of marine diesels with the volumetric method of mixing are analyzed. Based on the literature reports it was noted that in the jet sprayed fuel over the cross section and length inhomogeneous distribution of fuel droplets is ob-

served. Quantity and temperature of the air in the fuel jet as it approaches the axis decreases and the droplet diameter is increased by several times. Intense heating of the fuel in the jet environment (after the start of combustion) is accompanied by the formation of soot with a lack of air. In order to establish the patterns, the experiments were conducted on 1 -cylinder engine compartment of type ^ 17,5/24 (NVD24). The experimental results are processed relative to the power indicator and the groups of the parameters B, C and D, taking into account the effect of the diameter and number of nozzles, fuel pressure, fuel properties, excess air ratio, medium pressure and temperature of the working medium in the cylinder of the diesel engine. Their influence on the formation of soot is fixed.

Key words: marine diesel engines, soot formation regularities.

REFERENCES

1. Voznitskii I. V., Punda A. S. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoraniia [Marine internal combustion engines]. Moscow, Morkniga Publ., 2010. 382 p.

2. Markov V. A., Devianin S. A., Mal'chuk V. I. Vpryskivanie i raspylivanie topliva v dizeliakh [Injection and spraying of fuel in diesels]. Moscow, Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana, 2007. 360 p.

3. Odintsov V. I. Rabochii protsess sudovykh DVS [Operational process of marine ICE]. Kaliningrad, Izd-vo BGARF, 2010. 141 p.

4. Broze D. D. Sgoranie vporshnevykh dvigateliakh [Combustion in piston engines]. Moscow, Mashinos-troenie Publ., 1969. 247 p.

5. Kavtaradze R. Z. Teoriia porshnevykh dvigatelei. Spetsial'nye glavy [Theory of piston engines. Special parts]. Moscow, Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana, 2008. 720 p.

6. Odintsov V. I., Zubakov A. S., Kornev M. K. Algoritm rascheta rabochego protsessa sudovykh dizelei s uchetom utechek rabochego tela [Algorithm of calculation of the operational process of the marine diesels taking into account the leakage of the working medium]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2013, no. 2, pp. 131-136.

The article submitted to the editors 22.06.2014, in the final version - 22.08.2014

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Odintsov Victor Ivanovich - Russia, 236035, Kaliningrad; Baltic State Academy of Fishing Fleet of FSBEI HPE "Kaliningrad State Technical University"; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department "Marine Power Installations"; seu@bga.gazinter.net.

Glazkov Dmitriy Yurievich - Russia, 236035, Kaliningrad; Baltic State Academy of Fishing Fleet of FSBEI HPE "Kaliningrad State Technical University"; Candidate of the Department "Marine Power Installations"; 2338697@rambler.ru.