Совершенствование рабочего процесса судового среднеоборотного дизеля для снижения содержания оксидов азота в отработавших газах

• Автор: Андрусенко, Сергей Евгеньевич
• Шифр специальности: 05.08.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 170 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Проблемы снижения токсичности отработавших газов и улучшения топливной экономичности судовых среднеоборотных дизелей
1.1 Состав отработавших газов. Токсичные компоненты отработавших газов
1.2 Нормирование токсичности отработавших газов
1.3 Анализ существующих способов снижения токсичности отработавших газов и повышения топливной экономичности дизелей
1.4 Обоснование выбора способа уменьшения выбросов токсичных компонентов и снижения удельного расхода топлива
1.5 Выводы по первой главе, постановка цели и задач исследований
2 Теоретические исследования рабочего процесса в камере сгорания судового среднеоборотного дизеля. Влияние различных факторов на токсичность отработавших газов
2.1 Назначение угла начала подачи топлива
2.2 Исследование влияния продолжительности подачи топлива на параметры дизеля и токсичность отработавших газов
2.3 Особенности профилирования топливного кулачка
2.4 Топливная экономичность дизеля и токсичность отработавших газов при различных фазах газораспределения
2.5 Влияние волновых процессов в системе топливоподготовки на протекание рабочего процесса дизеля
2.6 Выводы по второй главе
3 Оптимизация рабочего процесса для снижения токсичности отработавших газов дизеля
3.1 Оптимизация рабочего процесса, приближенного к изобарному
3.2 Разработка критерия оценки качества протекания рабочего процесса по экспериментальным и расчетным данным
3.3 Методика расчета, выбор конструкции и расчет демпфирующего устройства для разгрузки подающего топливопровода
3.4 Выводы по третьей главе
4 Математическое моделирование рабочего процесса дизеля, приближенного к изобарному
4.1 Анализ параметров базового двигателя
4.2 Результаты моделирования по углу начала подачи топлива
4.3 Результаты моделирования по фазам газораспределения
4.4 Результаты моделирования приближенного к изобарному рабочего процесса
4.5 Результаты экспериментальных исследований протекания рабочего
процесса, приближенного к изобарному процессу сгорания топлива
4.5.1 Результаты работы двигателя с уменьшенным углом начала подачи топлива

4.5.2 Оценка качества протекания рабочего процесса по отложениям сажи
и нагара на поверхностях камеры сгорания
4.6 Оценка приближения рабочего процесса к изобарному процессу сгорания топлива
4.7 Результаты моделирования рабочего процесса, приближенного к изобарному, с увеличенной степенью сжатия
4.8 Рекомендации по изменениям конструкции в базовом двигателе для реализации приближенного к изобарному рабочему процессу
4.8.1 Рекомендации по выбору профиля топливного кулачка и конструкции распределительного вала
4.8.2 Рекомендации к проектированию топливной системы
4.9 Выводы по четвертой главе
Заключение
Список литературы
Приложение А Моделирование рабочего процесса базового двигателя ...137 Приложение Б Моделирование рабочего процесса по углу начала
подачи топлива
Приложение В Моделирование рабочего процесса по фазам
газораспределения
Приложение Г Результаты моделирования рабочего процесса
приближенного к изобарному
Приложение Д Кинограммы развития топливной струи при угле начала
подачи топлива 20° до ВМТ
Приложение Е Кинограммы развития топливной струи при угле начала
подачи топлива 8° до ВМТ
Приложение Ж Результаты моделирования рабочего процесса,
приближенного к изобарному с увеличенной степенью сжатия
Приложение И Результаты квалификационных испытаний
Приложение К Акт внедрения

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Эксплуатация среднеоборотных двигателей внутреннего сгорания на судах водного транспорта показывает на протяжении многих лет, что данные двигатели нашли самое широкое применение и имеют большое значение для использования в качестве главных энергетических установок.
При существующем уровне развития среднеоборотных дизелей, характеризующемся удельным расходом топлива от 170 до 220 г/(кВт-ч) и средним эффективным давлением от 2 до 3 МПа при одноступенчатом газотурбинном наддуве, четырехтактные дизели и впредь будут развиваться по пути дальнейшего улучшения эксплуатационных показателей и уменьшения удельного расхода топлива.
В настоящее время в развитии двигателестроения особое внимание уделяется не только улучшению топливной экономичности и ресурса дизелей, но и уменьшению содержания токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ). Если недавно основное внимание уделялось уменьшению выброса двигателями оксидов углерода (СО) и не полностью сгоревших углеводородов (СН), то в настоящее время вводятся более жесткие ограничения на допустимую концентрацию в отработавших газах оксидов азота (МЭх), причем решение этой проблемы оказывается особенно трудным. На данном этапе снижение выброса ИОх до соответствия уровню международных норм МАЙРОЕ 73/78, запланированных на 2014г., удается достичь лишь увеличением удельного расхода топлива за счет уменьшения степени сжатия, использования поздних углов начала подачи топлива, рециркуляции отработавших газов. Но такой путь находится в резком противоречии с не менее актуальной проблемой борьбы за повышение топливной экономичности двигателей, острота которой неуклонно возрастает в связи с приближающейся угрозой исчерпания природных ресурсов жидких и газовых то-плив.

Увеличение степени сжатия в этом случае приводит к еще большему увеличению сил давления газов, действующих на детали двигателя. Поэтому в существующих двигателях простое увеличение степени сжатия приводит к уменьшению надежности двигателя.
Принимая во внимание статическую прочность деталей двигателя с целью уменьшения степени сжатия можно пойти на небольшое ухудшение, по сравнению с циклом смешанного сгорания, термического КПД, чтобы уменьшить максимальное давление сгорания [7].
С этой целью следует рассмотреть все возможные способы протекания рабочего процесса. При этом в основу рабочего процесса должны быть заложены следующие условия [25]:
1. На основе закона сохранения и превращения энергии, открытого М.В. Ломоносовым, и работ по горению топлива Д.И. Менделеева максимальная температура сгорания в цилиндре ДВС должна быть ограничена значением 2273 К [97].
2. Рабочий цикл двигателя должен осуществляться без потерь от диссоциации продуктов сгорания, а это значит, что коэффициент использования теплоты от сгорания топлива практически будет равным 100% [25]. При температурах сгорания Ттах выше 2273 К в образовавшихся продуктах сгорания наступит диссоциация - отрицательное явление с точки зрения топливной экономичности [25].
3. Температура горения топлива Тшах=2273 К является общей для разных ДВС, это достаточное и необходимое условие для повышения степени сжатия в термодинамических циклах с меньшим образованием оксидов азота в отработавших газах. На любой размерности поршневого ДВС осуществимы циклы с подводом теплоты при У=сопз1, либо по смешанному циклу, либо при Рсопэ!;. Процесс при Уюопяг является экономичнее процесса при Р=сош1, так как для достижения одной и той же температуры Ттах=2273 К в процессе У=сош1 требует меньше подводимой теплоты [25].