Улучшение экологических характеристик двухтактного дизеля во время эксплуатации

Abstract

Развитие мирового судоходства происходит в условиях постоянно усиливающихся требований по уменьшению концентраций токсичных продуктов сгорания углеводородных топлив. Пределы концентраций регламентируются в соответствии с приложением VI конвенции MARPOL 73/78. Среди контролируемых компонентов отработанных газов дизеля наиболее опасными для здоровья человека и окружающей среды являются оксиды азота NOx. Однако уменьшение содержания оксидов NOx неизбежно связано с ограничениями максимальной температуры цикла, то есть термического коэффициента полезного действия (КПД), а значит и с ухудшением топливной экономичности двигателя. На данный момент с целью уменьшения выбросов оксидов азота крупными транспортными дизелями наиболее широко применяется рециркуляция отработанных газов в воздушный ресивер. Существенным недостатком применения этой схемы является необходимость охлаждения отработанных газов и их дополнительной очистки, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик системы и к её удорожанию. Поэтому для её удешевления логичным выглядит сочетание рециркуляции отработанных газов с другими способами уменьшения выбросов оксидов азота. Для уже эксплуатируемых двигателей одним из таких способов выглядит изменение угла впрыска топлива: известно, что чем позже после верхней мёртвой точки (ВМТ) начнётся сгорание топлива, тем ниже по причине падения температуры воздушного заряда будет количество образовавшихся оксидов азота. Расчёт выбросов оксидов азота был смоделирован для главного двигателя MAN-B&W 7S50MC-С, установленного на судне "LILA SHANGHAI". Первоначально модель, созданная с применением пакета AVL-BOOST, была верифицирована, исходя из имеющихся результатов индицирования. После верификации был произведен расчёт выбросов оксидов азота NOx при вариации угла начала сгорания топлива. Состав газов в ресивере принимался неизменным. По мере сдвига угла начала сгорания топлива дальше от ВМТ наблюдалось ухудшение топливной экономичности и падение цилиндровой мощности при одновременном уменьшении массы выбрасываемых оксидов азота NOx. Тем не менее, можно сказать, что экологичность двигателя улучшается намного быстрее, чем ухудшаются его мощностно-экономические показатели. Приведенные расчёты показывают, что для находящихся в эксплуатации двигателей изменение угла впрыска топлива позволяет уменьшить выбросы оксидов азота. Поэтому данный подход без особых затруднений можно сочетать с другими методами, удешевляя, таким образом, экологическое совершенствование двигателя.

Розвиток світового судноплавства відбувається за умов вимог, що постійно посилюються, щодо зменшення концентрацій токсичних складових газоподібних продуктів згоряння вуглеводневих палив. Межі концентрацій цих речовин регламентуються відповідно з додатком VI Конвенції MARPOL 73/78. Серед контрольованих компонентів відпрацьованих газів дизеля найнебезпечнішими для людей та довкілля є оксиди азоту. Проте зменшення вмісту оксидів азоту неминуче пов'язані з обмеженнями максимальної температури циклу, тобто термічного ККД, отже, і з погіршенням паливної економічності двигуна. На даний момент з метою зменшення викидів оксидів азоту великими транспортними дизелями найширше застосовується рециркуляція відпрацьованих газів у повітряний ресивер. Істотним недоліком застосування цієї схеми є необхідність охолодження відпрацьованих газів та їх додаткового очищення, що призводить до збільшення масогабаритних характеристик системи та її здорожчання. Тому для здешевлення логічним виглядає поєднання рециркуляції відпрацьованих газів з іншими способами зменшення викидів оксидів азоту. Для двигунів, що вже експлуатуються, одним з таких способів виглядає зміна кута впорскування палива: відомо, що чим пізніше після верхньої мертвої точки (ВМТ) почнеться згоряння палива, тим нижче внаслідок падіння температури повітряного заряду буде кількість оксидів азоту, що утворилися. Розрахунок викидів оксидів азоту був змодельований для головного двигуна MANB&W 7S50MC-С, встановленого на судні "LILA SHANGHAI". Спочатку модель, створена із застосуванням пакета AVLBOOST, була верифікована, виходячи з результатів індиціювання. Після верифікації було здійснено розрахунок викидів оксидів азоту NOx при варіації кута початку згоряння палива в номінальному режимі. Склад газів у ресивері приймався незмінним. При зсуві кута початку згоряння палива далі від ВМТ спостерігалося погіршення паливної економічності та падіння циліндрової потужності при одночасному зменшенні маси оксидів азоту NOx, що викидаються. Тим не менш, можна сказати, що екологічність двигуна покращується набагато швидше, ніж погіршуються його потужно-економічні характеристики. Наведені розрахунки показують, що для двигунів, які вже перебувають в експлуатації, зміна кута впорскування палива дозволяє зменшити викиди оксидів азоту. Тому даний підхід без особливих труднощів можна поєднувати з іншими методами, здешевлюючи таким чином екологічне вдосконалення двигуна.