CC BY
22[11] Chabanenko P.P. Vyvod pokazatelei kachestva chelovekomashinnyrh system na osnove funkcional'nyrh seteyi. Arsenal XXI veka. 2002. №1. p. 42-46.
Статья поступила в редакцию 12.02.2019 г.
УДК 621.436.12
М.Н. Покусаев, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой эксплуатация водного транспорта ФГБОУ ВО «Астраханский Государственный Технический Университет», e-mail: [email protected] А.С. Зубарев, аспирант кафедры эксплуатация водного транспорта ФГБОУ ВО «Астраханский Государственный Технический Университет», e-mail: [email protected]
А.Ю. Грабарчук, студент института морских технологий, энергетики и транспорта, ФГБОУ ВО «Астраханский Государственный Технический Университет», e-mail: [email protected]
А.В. Васильев, д.т.н., профессор, профессор кафедры «Теплотехника и гидравлика», ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет», e-mail: [email protected] О.П. Ковалёв, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Товароведение, холодильные машины и технологии» Дмитровский рыбохозяйственный технологический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Астраханский Государственный Технический Университет», e-mail: [email protected]
ПРОВЕДЕНИЕ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПО ПОДАЧЕ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА ВО ВСАСЫВАЮЩИЙ КОЛЛЕКТОР ДИЗЕЛЯ 6ЧСП 15/18 НА СУДНЕ РК-2091
Ключевые слова: Дизельный двигатель, аккумуляторная топливная система, окислы азота, натурные испытания, защита морской среды, МАРПОЛ, диметиловый эфир.
Авторами статьи представлена экспериментальная установка, которая позволяет подавать любой газообразный добавочный компонент во всасывающий коллектор дизельного двигателя в любой момент рабочего цикла с целью уменьшения содержания вредных выбросов в отработавших газах дизельного двигателя. Проведены натурные испытания по подаче ДМЭ во всасывающий коллектор дизельного двигателя 6ЧСП 15/18 на судне РК-2091. В ходе проведения испытаний было установлено, что при добавлении ДМЭ к воздушной смеси концентрация оксида азота NOx максимально снижается при частоте вращения коленчатого вала 640 об/мин и в процентном соотношении составляет 12,37%. Концентрация NO2 увеличивается при добавлении ДМЭ к воздушной смеси, минимальное значение в процентном соотношении составляет 2,67% при частоте вращения коленчатого вала 856 об/мин. Концентрация NO максимально снижается при частоте вращения коленчатого вала 640 об/мин и в процентном соотношении составляет 28,38%. Концентрация CO повышается на всех режимах работы, минимальное значение в процентном соотношении составило 85,11% при частоте вращения коленчатого вала 586 об/мин.
Введение
На 65-ой сессии Комитета по защите морской среды 13-17 мая 2013 года в ходе состоявшейся дискуссии была обоснована преждевременность введения в Балтийском море зоны контроля выбросов NOx и стандарта по ограничению выбросов NOx для
судовых дизелей на уровне Tier-III с 01.01.2016 г. Российская делегация смогла добиться решения о переносе этой даты сроком на пять лет, до 01.01.2021 г. [1].
28 октября 2016 года в штаб-квартире Международной морской организации в Лондоне (Великобритания) состоялась 70-я сессия Комитета по защите морской среды. В ходе работы данной сессии комитет согласился с приданием Северному и Балтийскому морям статуса районов контроля выбросов окислов азота с судов (NECA TierIII), в соответствии с Правилом 13 и Дополнением III Приложения VI к Конвенции МАРПОЛ и одобрил соответствующие поправки, которые вступят в силу и будут применяться к новым судам с 1 января 2021 года [2].
18 апреля 2016 года в штаб-квартире Международной морской организации (ИМО) в Лондоне (Великобритания) состоялась 69-я сессия Комитета по защите морской среды. В ходе работы данной сессии были приняты поправки к конвенции МАРПОЛ в том числе и к приложению VI, а именно о необходимости записи в судовом журнале, предписанном Администрацией, в части применимого стандарта выбросов и состояния судовых дизельных двигателей, при входе и выходе из района контроля выбросов по NOx с указанием даты, времени и местоположения судна, а так же были внесены поправки к техническому кодексу по испытанию работающих на газе и двухтопливных двигателей в рамках стратегии по сокращению выбросов NOx [3, 4].
Таким образом, исходя из вышесказанного, данный свод правил затронет одни из важнейших регионов России - Балтийское и Северное моря, и через несколько лет они станут зоной строгого контроля уровня выбросов оксидов азота (NOx Emission Control Area - NECA) (рис. 1).
Рис. 1. Районы NECA и SECA
Можно выделить четыре основные группы путей решения для уменьшения токсичности ОГ дизеля (рис. 2):
1. Совершенствование конструкции дизельного двигателя.
2. Оптимизация эксплуатации дизельного двигателя.
3. Применение двухтопливных систем.
4. Применение альтернативных топлив.
Уменьшение содержания оксида азота в отработавших газах дизельного двигателя связано, в первую очередь, с ограничениями максимальной температуры рабочего цикла [5]. Таким образом, если для вновь проектируемых дизелей основным направлением на данный момент является разработка новой конструкции для приближения к необходимым параметрам экологичности, то для морально устаревших дизелей, находящихся в эксплуатации, одним из путей решения проблемы может послужить
применение системы, способной подавать добавочный компонент в цилиндр дизельного двигателя.
В качестве добавочного газообразного компонента был выбран диметиловый эфир (ДМЭ) С2Н6О, в связи с тем, что данный газ является экологически чистым топливом без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90% меньше, чем у бензина. Теплота сгорания ДМЭ около 30 МДж/кг, у классических нефтяных топлив - около 42 МДж/кг. Одна из особенностей применения ДМЭ - его более высокая способность к окислению (благодаря содержанию кислорода в молекуле), чем у классического топлива [6].
Применение газовых топлив
Рис. 2. Основные методы снижения токсичности ОГ
Предлагаемый вариант системы по подаче диметилового эфира в всасывающий коллектор дизельного двигателя
В состав разработанной системы (рис. 3) входят: 1 - баллон объемом 50 л. с рабочим давлением 1,6 МПа, 2 - запорный клапан, 3 - манометр, 4 - электромагнитная форсунка, 5 - микроконтроллер.
Работа системы происходит следующим образом. При открытии запорного клапана 2, ДМЭ содержащийся в баллоне 1 под давлением 0,6 МПа подаётся во всасывающий коллектор дизельного двигателя, где происходит смешивание ДМЭ с всасывающим воздухом, впрыск ДМЭ осуществляется через электромагнитную форсунку 4 в момент открытия впускного клапана, затем данная смесь подается в цилиндр дизельного двигателя, где происходит сгорание горючей смеси. Замер расхода ДМЭ осуществляется весовым способом. Управление работой системы впрыска ДМЭ осуществляется микроконтроллером 5 [7].
Рис. 3. Система по подаче ДМЭ в всасывающий коллектор дизельного двигателя
Результаты проведенных экспериментов на дизеле 6ЧСП 15/18 на судне РК-2091
Эксперименты проводились по разработанной методике испытаний судового дизеля 6ЧСП 15/18 (рис. 4), судна РК-2091 (рис. 5), дооборудованного системой для подачи ДМЭ в всасывающий коллектор.
Основные характеристики судового дизельного двигателя представлены в таблице 1 [8].
Судно РК-2091 представляет собой одновинтовой буксир с седловатой палубой, ходовой рубкой и надстройкой на палубе, с капом над МО и кормовым грузовым трюмом. Назначение судна - буксировка малых судов, перевозка в трюмах 10-15 тонн груза, перевозка до 12 пассажиров. Основные характеристики судна представлены в таблице 2 [9].
Рис. 4. Общий вид дизеля 6ЧСП 15/18
Рис. 5. Судно РК-2091
Подача ДМЭ производилась на швартовных испытаниях по винтовой характеристике.
Таблица 1
Основные характеристики судового дизеля 6ЧСП 15/18
Параметры Показания
Мощность полная (номинальная), л. с. 150
Частота вращения, мин-1 1500
Среднее эффективное давление, бар 4,7
Средняя скорость поршня, м/с 9
Удельный расход топлива:, г/л.с. ч 177
Удельный расход масла:, г/л.с. ч 9
Масса (сухая), кг 1800
Габаритные размеры, мм:
длина L 2462
ширина В 882
высота Н 1162,5
Таблица 2
Основные характеристики судна РК-2091
Параметры Показания
Длина, м. 21
Ширина, м. 3,98
Высота борта, м. 2,1
Высота габаритная, м. 6,65
Водоизмещение в грузу, т. 46,9
Осадка средняя в грузу, м. 1,27
Водоизмещение порожним, т. 30,3
Осадка средняя порожнем, м. 0,97
Скорость свободного хода, уз. 10,5
Параметры Показания
Пассажировместимость, чел. 11
Экипаж (на вахте), чел. 2
Количество коечных мест, шт. 4
Автономность, сут. 5
При проверке работоспособности системы по подаче добавочного компонента неисправностей и сбоев в работе не было выявлено. Была проверена работа элементов данной системы: электромагнитной форсунки, запорного вентиля и исполнительных органов управления. В течение всего периода проверки работоспособности системы, установленной на судовой дизель 6ЧСП 15/18, велась проверка на герметичность. В результате данной проверки утечек не выявлено. В ходе испытаний были достигнуты требуемые эксплуатационные характеристики системы по подаче добавочного компонента в всасывающий коллектор (стабильная подача, отсутствие утечек, регулирование количества подаваемого компонента).
Получены параметры работы дизеля 6ЧСП 15/18 с установленной системой отражены в таблице 3.
Таблица 3
Параметры работы дизеля 6ЧСП 15/18 с системой по подаче диметилового эфира
Измеряемые параметры Показания
ДТ ДТ+ДМЭ ДТ ДТ+ДМЭ ДТ ДТ+ДМЭ
Частота вращения коленчатого вала, [об/мин] 586 640 856
Часовой расход дизельного топлива, gч [кг/ч] 2,2 2,7 3,7 4,1 8,3 8,7
Температура отработавших газов, йог [°С] 142 146,4 160,1 167 246,2 251
Температура воздушной смеси на всасывании до/после форсунки, [°С] 36,3/34 35,8/34,1 36,5/34,7 35,6/34,5 36,2/34,5 35,3/34
Концентрация оксида азота, N0 [ррт] 128 102 229 164 222 217
Концентрация диоксида азота, N02 [РРт1 48,3 61,8 54,4 83,6 33,7 34,6
Общая концентрация оксидов азота, N0x [ррт] 176 163 283 248 256 252
Концентрация оксида углерода, СО [ррт] 282 522 288 1197 408 904
Концентрация диоксида углерода, С02 [%] 23 27 35 43 40 47
Измерение концентрации NO, NO2, NOx, CO производились при помощи газоанализатора Testo 350-MARITIME, для более наглядного отображения полученных результатов, данные по выбросам NOx, изображены графически на рисунке 6.
Рис. 6. Изменение концентрации NOx
Погрешность измерений
Определение погрешности измерений производилась путем использования распределения Стьюдента. Подача ДМЭ производилась на швартовных испытаниях при неизменной частоте вращения коленчатого вала (640 об/мин.), при данном режиме работы замеры производились 5 раз, газоанализатор Testo 350-MARITIME зафиксировал следующие значения содержания NOx в ОГ: 251, 243, 248, 260, 238. Среднее арифметическое полученных значений равно:
1 v 1
= - £X,. = - (251 + 243 + 248 + 256 + 242) = 248
5
> ррт.
(1)
Дисперсия данной выборки будет равна:
о2 _ i=1
SNOx
£ (xi -х )2
_ (251 - 248)2 + (243 - 248)2 + (248 - 248)2 + (256 - 248)2 + (242 - 248)2 _
5
Средняя квадратичная ошибка равна:
= 26,8. (2)
(3)
По приложению 5 [10], справочника по прикладной статистике под редакцией Э. Ллойда находим что при V = 4 и вероятности Р=0,95, в свою очередь / = 2,2. Исходя из этого, можно сделать вывод, что с вероятностью 95% ошибка хЫОх = 248 ррт не
более чем 2,2*2,58=5,67 ррт. Соответственно пределы возможного содержания N0 в ОГ на установившемся режиме дизеля, на котором производились замеры обусловлены следующим неравенством:
242,33<хЫСЬс <253,67
Подобным методом просчитывались пределы и для других полученных показа-
ний.
i=1
v
Выводы
1. Представлена экспериментальная установка, которая позволяет подавать любой газообразный добавочный компонент во всасывающий коллектор дизельного двигателя в любой момент рабочего цикла дизельного двигателя.
2. Проведены натурные испытания по подаче ДМЭ во всасывающий коллектор дизельного двигателя 6ЧСП 15/18 на судне РК-2091.
3. В ходе проведения испытаний было установлено, что при добавлении ДМЭ к воздушной смеси концентрация оксида азота NOx максимально снижается при частоте вращения коленчатого вала 640 об/мин и в процентном соотношении составляет 12,37%. Концентрация NO2 увеличивается при добавлении ДМЭ к воздушной смеси, минимальное значение в процентном соотношении составляет 2,67% при частоте вращения коленчатого вала 856 об/мин. Концентрация NO максимально снижается при частоте вращения коленчатого вала 640 об/мин и в процентном соотношении составляет 28,38%. Концентрация CO повышается на всех режимах работы, минимальное значение в процентном соотношении составило 85,11% при частоте вращения коленчатого вала 586 об/мин.
Увеличение содержание оксида углерода CO в отработавших газах может свидетельствовать о присутствии высокотемпературной зоны топливного факела, в которой химическое равновесие смещено в сторону диссоциации диоксида углерода СО2, с образованием СО и О2.
Список литературы:
[1] Резолюция МЕРС 65/4/27 поправки к Приложению VI к Конвенции МАРПОЛ, 2013. - 1-4.
[2] Резолюция МЕРС 251(66) поправки к Приложению VI к Конвенции МАРПОЛ, 2014.
[3] Резолюция МЕРС.271(69) поправки к Приложению VI к Конвенции МАРПОЛ, 2016. - 3-5 с.
[4] Резолюция МЕРС.272(69) поправки к Приложению VI к Конвенции МАРПОЛ, 2016. - 2 с.
[5] В. А. Марков Токсичность отработавших газов дизелей / В. А. Марков, Р. М. Баширов, И. И. Габитов. - Москва, 2002. Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана. - 376 с.
[6] Диметиловый эфир. Материал из Википедии - свободной энциклопедии. ttps://ru.wikipedia. org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D0%B2% D1 %8B%D0%B9_%D1 %8D%D1 %84%D0%B8%D1 %80
[7] Покусаев М.Н., Грабарчук А.Ю., Умербаев А.М., Пальников С.В., Колесников И. В., Зубарев А. С. Патент на полезную модель №174207, 25.11.2015.
[8] Вершинина В.Ф., Трумуль З.С. Судовые дизели типа 3Д6 и 7Д6. Приложение к книге «Дизели типа Д6».
[9] Справочник по серийным транспортным судам. Том 3. Толкачи, буксиры и толкачи-буксиры // Транспорт. 1974. - 244 с.
[10] Справочник по прикладной статистике. Под редакцией Э. Ллойд, У. Ледерман.: Финансы и статика, 1990. - 519 с.
CONDUCTING FIELD TESTS ON THE SUBMISSION OF DIMETHYL ETHER TO THE SUCTION MANIFOLD OF THE DIESEL ENGINE 6L 15/18 ON THE VESSEL RK-2091
Pokusaev M.N., Dr.Sc. (Tech.), Professor, head of the department water transport operation «Astrakhan State Technical University» Zubarev A.S., graduate student of the department of water transport operation «Astrakhan State Technical University»
Grabarchuk A.Y., student of the Institute of Marine Technologies, Energy and Transport, «Astrakhan State Technical University» Vasiliev A.V., Dr.Sc. (Tech.), Professor, Professor of the department of heat engineering and hydraulics «Volgograd State Technical University» Kovalev O.P., Dr.Sc. (Tech.), Professor, head of the department
of merchandizing, refrigerating machines and technologies»,
Dmitrov Fishery Technological Institute (branch) of Astrakhan state technical University
Key words: A diesel engine, battery fuel system, nitrogen oxides, field tests, marine environment protection, MARPOL, dimethyl ether.
The authors of the article presented an experimental installation, which allows any gaseous additional component to be supplied to the suction manifold of a diesel engine at any time during a working cycle in order to reduce the content of harmful emissions in the exhaust gases of a diesel engine. Field tests on the supply of DME to the suction manifold of the 6L 15/18 diesel engine on the vessel RK-2091 were conducted. During the tests it was found that adding DME to the air mixture causes the concentration of nitric oxide NOx maximum decrease at the crankshaft rotation speed of 640 rpm and the percentage is equal to 12.37%. With the addition of DME to the air mixture the NO2 concentration increases, the minimum value in percentage is equal to 2.67% at the crankshaft rotation speed of856 rpm. The NO concentration decreases as much as possible at the crankshaft rotation speed of640 rpm and the percentage is equal to 28.38%. The CO concentration increases in all operation modes, the minimum value in percentage was equal to 85.11% at the crankshaft rotation speed of 586 rpm.
References:
[1] Resolution MEPC 65/4/27 of the amendment to Annex VI to the MARPOL Convention, 2013. -1-4.
[2] Resolution MEPC 251 (66) of the amendment to Annex VI to the MARPOL Convention, 2014.
[3] Resolution MEPC.271 (69) of the amendment to Annex VI to MARPOL Convention, 2016. - 35 p.
[4] Resolution MEPC.272 (69) of the amendment to Annex VI to MARPOL Convention, 2016. - 2 p.
[5] V.A. Markov Toxicity of exhaust gases of diesel engines / V.A. Markov, R. M. Bashirov, I.I. Gabitov. - Moscow, 2002. Publishing House MSTU. N. E. Bauman. - 376 s.
[6] Dimethyl ether. Wikipedia, the free encyclopedia. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0% B8%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D1 % 8B% D0% B9_% D1% 8D% D1% 84% D0% B8% D1% 80
[7] Pokusaev M.N., Grabarchuk A.Yu., Umerbaev A.M., Palnikov S.V., Kolesnikov I.V., Zubarev A.S. Patent for utility model №174207, 25.11.2015.
[8] Vershinina V.F., Trumul Z.S. Ship diesel engines of type 3D6 and 7D6. Appendix to the book «Diesel type D6».
[9] Handbook of serial transport vessels. Volume 3. Pushers, tugs and pushers tugs // Transport. 1974. - 244 s.
[10] Handbook of applied statistics. Edited by E. Lloyd, W. Lederman.: Finance and Statics, 1990. -519 p.
Статья поступила в редакцию 11.02.2019 г.
