СУДОСТРОЕНИЕ 4'2014
ПОВЫШЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПРИСАДКОЙ ВОДОРОДА В ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО
В. Н. Тимофеев, канд. техн. наук,
e-mail: Timofeev.vitaly2010@yandex.ru (Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова) удк 621.5:621.436.039
Стабильная работа дизеля зависит от его конструкции, условий охлаждения, а также характера протекания рабочего процесса. При работе дизеля с большими нагрузками на малых частотах вращения происходит неполное сгорание топлива, что проявляется в виде дымного выпуска, стуков или чрезмерно больших скачков давления в цилиндрах. Причинами их являются нарушения в топливоподаче или уменьшение коэффициента избытка воздуха в результате отклонения параметров газа в конце сжатия от нормальных.
Совершенствование дизелей возможно путем улучшения организации смесеобразования и сгорания топлива. Смесеобразование, оказывающее непосредственное влияние на закон тепловыделения, протекает под воздействием двух основных факторов — газодинамического состояния заряда и способа впрыскивания топлива.
В связи с этим с целью интенсификации процесса сгорания дизельного топлива могут быть использованы присадки, например водорода, позволяющего улучшить условия смесеобразования и сгорания дизельного топлива, благодаря чему достигается экономия топлива, снижается теплонапряжен-ность, дымность и токсичность отработавших газов.
С участием автора разработано устройство1 для подмешивания к топливу водорода (рис. 1).
После запуска дизеля 1 тахогенера-торный датчик 8 подает электрический сигнал по каналу 21 на блок управления 11. Этот блок, связанный с датчиком нагрузки 7 через блок сравнения 13, в зависимости от нагрузки, например эффективной мощности Ре, подает необходимую энергию на генератор водорода 2, в котором получают нужное количество водорода (до 10% от массы потребляемого топлива) путем расщепления дистиллированной воды на молекулы водорода и кислорода. Далее водород через электрический регулирующий клапан 10 и канал 18 подается в смесительную камеру 4, где смешивается с дизельным топливом.
Рис. 1. Устройство для присадки водорода в топливо:
1 — дизель; 2 — генератор водорода; 3 — топливоподкачивающий насос; 4 — смесительная камера; 5 — топливный насос высокого давления; 6 — форсунка; 7 — датчик нагрузки; 8 — тахогенераторный датчик; 9 — накопительная камера водорода; 10 — электрический регулирующий клапан; 11 — электронный блок управления; 12 — задатчик; 13 — блок сравнения; 14 — канал транспортировки топлива; 15 — канал транспортировки топливной смеси (топлива и водорода); 16 — канал подачи топливной смеси под давлением в форсунку; 17, 18 — каналы подачи водорода; 19, 20 — каналы подачи электроэнергии; 21—24 — каналы подачи электрических сигналов
Смесительная камера (рис. 2) содержит топливный патрубок 2, который имеет сужение в конце, газовый патрубок 3, тоже имеющий сужение, расширяющийся патрубок 2 и камеру 1. Сечение патрубка 2' по длине уменьшается, в результате чего при движении топлива по этому патрубку его скорость увеличивается. Кинетическая энергия при этом возрастает, достигая наивысшего значения на выходе топлива из патрубка 2 в камеру 1. Повышение кинетической энергии топлива обусловливает понижения давления в камере 1; под влиянием разности давлений в камере 1 и патрубке 3 водород из патрубка захватывается струей топлива, вытекающей с большой скоростью из патрубка 2. В смесительной камере происходит как физическая, так и химическая абсорбция водорода в дизельном топливе.
1 Патент 21686649 РФ, МКИ F 02 M 25/10/Устройство для присадки водорода в топливо ДВС/В. Н. Тимофеев, Л. В. Тузов, Д. В. Тимофеев и др. (Россия)//Опубл. в БИ 10.06.2001.
судовые энергетические установки
СУДОСТРОЕНИЕ 4'2014
При низких температурах наибольшую роль играет быстрая физическая абсорбция. Поэтому для обоснования теоретических предпосылок той или иной модели процесса абсорбции большое значение имеет знание скоростей хемосорбции и физической абсорбции применительно к конкретным условиям насыщения дизельного топлива водородом в дизеле с учетом конкретных давлений, температур и времени процесса.
Полученная смесь поступает в расширяющийся патрубок 2'; транспортируется конвективными потоками по каналу 15 топливной системы и через насос высокого давления 5, канал 16, форсунку 6 поступает в цилиндр дизеля 1. Водород сгорает в 10 раз быстрее, чем обычное диз-топливо. Поэтому, когда топливная смесь попадает в камеру сгорания дизеля 1, там происходит более быстрая реакция воспламенения, и все топливо сгорает полностью. Это приводит к заметному сокращению вредных выхлопов, особенно сажи и угарного газа, существенно увеличивается топливная эффективность силового агрегата и немного возрастает его мощность.
Поскольку процесс горения этой топливной смеси происходит более полно, чем в обычном дизеле, то мощность и вращающий момент в дизеле немного увеличиваются. Тем самым достигается столь желанный
2 1 2
Рис. 2. Смесительная камера:
1 — камера; 2, 2' — конические топливные патрубки; 3 — газовый конический патрубок
экономический эффект, экономия топлива может составить до 10%.
В целом система безопасна, хотя водород — взрывоопасный газ. Генератор водорода 2 является эффективным техническим решением, позволяющим уменьшить расходы на топливо и вредное воздействие на окружающую среду. В случае возникновения каких-нибудь неполадок блок управления 11 сразу перекроет регулирующий клапан подачи водорода 10 в смесительную камеру 4 (см. рис. 1). После остановки дизеля 1 сигнал от тахогенераторного датчика 8 перестает поступать на блок управления 11, который останавливает работу генератора водорода 2.
Таким образом, присадка водорода в топливную систему дизеля в небольших количествах (до 0,1% от массы топлива) может быть использована как эффективное средство улучшения рабочего процесса дви-
гателя внутреннего сгорания. Дизель, использующий водород как присадку к дизельному топливу, имеет низкий уровень выбросов токсичных компонентов, так как основным продуктом сгорания водорода является водяной пар.
Выделяется лишь сравнительное небольшое количество оксидов азота К1ОХ. Но при этом, смещая подачу водорода в цилиндры в сторону процесса расширения, можно реализовать цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, снизить максимальные температуры сгорания, уменьшить концентрацию МОХ в отработавших газах, снизить уровень шума и повысить КПД на режимах частичных нагрузок, что приводит к улучшению технико-экономических и экологических показателей дизеля на всех режимах его работы.
Стоит отметить, что стоимость производства водорода при всех известных технологиях все еще высока. Несмотря на это, внимание к водороду не ослабевает. По мнению большинства экспертов, водород является наиболее приемлемым энергоносителем для топливных элементов.
Литература
1. Двигатели внутреннего сгорания: системы поршневых и комбинированных двигателей/под общ. ред. А. С. Орлина, М. Г. Круг-лова. М.: Машиностроение, 1985.
2. Тимофеев В. Н. Температурный режим двигателей внутреннего сгорания и его регулирование. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2008.
МТВ «АКАДЕМИК КОВАЛЁВ»
26 июля пресс-служба ОАО ЦС «Звёздочка» сообщила о выводе из эллинга морского транспорта вооружения (МТВ) «Академик Ковалёв» (пр. 20180ТВ, разработчик ОАО ЦМКБ «Алмаз». Государственный контракт на поставку для Министерства обороны РФ этого судна был заключен 15 сентября 2011 г. В декабре того же года в главном стапельном цехе «Звёздочки» состоялась закладка МТВ «Академик Ковалёв». После спуска на воду на судне продолжатся достроечные работы — отделка внутренних помещений, завершение монтажных, электромонтажных и окрасочных работ, проведение швартовных испытаний. Осенью 2014 г. МТВ «Академик Ковалёв» выйдет в море для проведения приемосдаточных испытаний. Затем судно войдет в состав Военно-Морского Флота России.
Основные технические характеристики МТВ пр. 20180ТВ: длина 107,6 м, наибольшая ширина 17,8 м, полное водоизмещение 6300 т, экипаж 60 чел. Судно усиленного ледового класса предназначено для погрузки, выгрузки и транспортировки морем образцов вооружений. Оно способно принимать вертолеты морского базирования.
В 2010 г. корабелы «Звёздочки» передали заказчику базовое спасательное буксирное судно пр. 20180,
получившее название «Звёздочка». В настоящее время оно несёт службу в составе Беломорской военно-морской базы. В декабре 2012 г. было заложено еще одно судно этого проекта — «Академик Александров». В настоящее время ведется его строительство.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.