МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «охрана и безопасность на море»

УДК 621.45.04:622.817.4

Влияние конструктивных факторов топливной аппаратуры и рециркуляции газов на содержание окислов азота и экономичность

Расчетно-графическое задание

по дисциплине «Предупреждение загрязнения морской среды»

Исполнитель:

студент 4 группы 5 курса смф ОНМУ

Чайковский Александр Павлович

преподаватель кафедры ОБМ:

доцент, канд. биол. наук А. В. Гаврилов

Одесса - 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

Основные решения экологических проблем при эксплуатации

судовых дизелей 4

Пересмотренное приложение VI к конвенции МАРПОЛ 73/78

Поправки к приложению к протоколу 1997 года об изменении

Международной конвенции по предотвращению загрязнения

с судов 1973 года, измененной протоколом 1978 года к ней 10

Влияние конструктивных факторов топливной аппаратуры и рециркуляции газов на содержание окислов азота и экономичность 12

Заключение 15

Литература 16

ВВЕДЕНИЕ

Эксплуатация судов неизбежно связана с возникновением и решением экологических проблем. Как и все другие объекты деятельности человека, морские и речные суда являются источником экологической опасности для окружающей среды и, следовательно, еще на этапе их проектирования должны решаться задачи предотвращения экологически опасной эксплуатации судов - недопущения или (по крайней мере) минимизации количеств вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду.

К наиболее опасным следует отнести вещества, которые образуются и выбрасываются в атмосферу в процессе преобразования потенциальной энергии энергоносителя (топлива) в СЭУ (дизелях, котлах, газотурбинных двигателях). [1]

Процессы длительного хранения горюче смазочных материалов, подготовки топлив и очистки масел многоразового использования сопровождаются испарением в атмосферу их легких компонентов, количество выброса которых увеличивается при их подогреве. Выброс в атмосферу нефтяных испарений происходит в процессе очистки емкостей и оборудования от отложений.

Экологические параметры дизелей во многом определяются видом топлива и работой систем топливоподачи низкого и высокого давления. Обеспечение необходимых экологических параметров требует конструктивных изменений топливной аппаратуры и эксплуатационного подхода. Однако и конструктивные изменения не всегда приводят к нужному результату, и тогда приходится применять мероприятия, даже идущие в ущерб экономичности дизеля.

Таким образом, можно констатировать, что процесс эксплуатации морских и речных судов обязательно сопровождается выбросом в атмосферу топливных и масляных компонентов в виде паров, которые являются одним из наиболее опасных загрязнений окружающей среды.

Основные решения экологических проблем при эксплуатации судовых дизелей

26 сентября 1997 года Конференция Сторон Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов 1973 года, измененной Протоколом 1978 года к ней (МАРПОЛ 73/78), приняла резолюцию 2 Конференции «Технический кодекс контроля выбросов азота с судовых дизелей».

Целью настоящего Кодекса является установление обязательных процедур испытаний, эксплуатации, освидетельствований и сертификации судовых дизелей, которые предоставят возможность изготовителям двигателям, судовладельцам и Администрациям обеспечить, что бы все применяемые судовые дизельные двигатели удовлетворяли соответствующим придельным значениям выбросов NO_Х. Администрациям рекомендуется оценивать характеристики выбросов главных и вспомогательных дизельных двигателей на испытательном стенде, где могут быть выполнены точные испытания в контролируемых условиях. [2]

Основная группа экологически опасных веществ образуется в процессе преобразования потенциальной энергии топлива в энергетической установке. Эти газообразные (окислы азота, окись и двуокись углерода, сернистый и серный ангидриды) и твердые (агломераты неполного сгорания топлив, нагары и др.) химические вещества выбрасываются из цилиндров в составе выпускных газов.

При введении международных норм на выброс экологически вредных веществ возникнет необходимость выбрать достаточно эффективный метод их снижения. Борьбу с выбросом можно вести первичными методами, воздействуя на рабочие процессы дизелей таким образом, чтобы уменьшить количество образующихся в цилиндрах веществ, влияющих на экологию.

Первичные методы можно разделить на две группы требующие изменения конструкции дизеля или отдельных его элементов, реализуемые при разработке новых дизелей (совершенствование системы впрыска и смесеобразования дизеля, системы турбонаддува; выбор оптимальных газораспределений, степени сжатия, частоты вращения коленчатого вала; организация вихревого движения заряда в камере сгорания и др.); не требующие существенного изменения конструкции, реализация которых возможна при незначительной модернизации дизеля (перевод дизеля на работу на водотопливной эмульсии, изменение фаз топливоподачи‚ рециркуляция части отработанных газов и др.).

К первичным методам снижения эмиссии можно отнести также выбор оптимального режима работы дизеля. Например, если главный дизель нагружен винтом регулируемого шага, то для снижения эмиссии NО_Х малый и средний ход целесообразно осуществлять в режиме постоянной частоты вращения (n = const), т.е. изменять скорость судна только путем изменения шага винта. Это позволит снизить выброс NО_Х на 10-20% по сравнению с режимами комбинаторной кривой.

В целом, благодаря применению первичных методов, реально достичь снижения эмиссии NО_Х на 30-50%. В том случае, если международным законодательством будут введены более жесткие требования по ограничению выбросов, первичных методов будет недостаточно и будет необходимо использовать вторичные методы или их комбинацию с первичными.

Вторичные методы направлены на удаление вредных выбросов из выпускных газов и осуществляются вне цилиндра двигателя.

Все технические мероприятия, относящиеся к первичным методам, можно подразделить на следующие основные группы:

• изменение угла опережения впрыскивания топлива. Его уменьшение приводит к снижению NО_Х, но влечет за собой увеличение удельного расхода топлива. Так, 10-процентное снижение уровня NO_X вызовет дополнительно 2-процентное увеличение расхода топлива;

• управление подачей топлива. Для управления началом подачи топлива с целью снижения NО_Х и концом топливопoдачи с цепью снижения выбросов сажи;

• изменение степени сжатия, повышение с 13 до 16;

• повышение давления впрыскивания топлива. Увеличение числа сопловых отверстий распылителя форсунки с одновременным уменьшением их диаметра приводит к более однородному распыливанию топлива и улучшению смесеобразования, в результате чего содержание NO_X падает;

• изменение параметров наддувочного воздуха и коэффициента избытка воздуха. Уменьшение температуры наддувочного воздуха с одновременным увеличением давления наддувочного воздуха и коэффициента избытка воздуха приводит к снижению выбросов NО_Х;

• применение электронного управления процессом впрыска топлива;

Аккумуляторная топливная система или система типа Коммон Рэйл (англ. Common rail — общая магистраль) - система подачи топлива, применяемая в дизельных двигателях. В системе типа Common rail насос высокого давления нагнетает дизельное топливо под высоким давлением (до 300 МПа, в зависимости от режима работы двигателя) в общую топливную магистраль существенного объёма (аккумулятор).

Управляемые электроникой электрогидравлические форсунки с электромагнитным или пьезоэлектрическим приводом управляющих клапанов впрыскивают дизельное топливо под высоким давлением в цилиндры. В зависимости от конструкции форсунок и класса двигателя, может впрыскиваться до 9 порций топлива за 1 цикл.

Одной из ключевых особенностей систем Common Rail является независимость процессов впрыскивания от угла поворота коленчатого вала и от режима работы двигателя, что делает возможным достижение высокого давления впрыскивания на частичных режимах, что необходимо для удовлетворения современных и перспективных экологических требований.[3]

• понижение максимального давления сгорания путем более позднего впрыска;

• оптимизация формы камеры сгорания и формы топливных струй (применение специальных форсунок) с целью получения максимальной однородности смеси;

• увеличение числа форсунок, устанавливаемых на один цилиндр (установка трех форсунок);

• применение рециркуляции части выхлопных газов, снижение кoличества продувочного воздуха;

• использование водоэмульсионного топлива (с соответствующей модификацией системы топливоподготовки и системы топливоподачи);

• переоборудование двигателя для работы на двойном роде топлива, жидком и газообразном;

• применение многофункциональных присадок к топливу, обеспечивающих снижение образования вредных для окружающей среды веществ;

• повышение эксплуатационных и экологических свойств самих горюче смазочных материалов. [4]

Топлива с улучшенными свойствами по сравнению с аналогичными топливами, вырабатываемыми в настоящее время, должны быть: узкофракционного состава, с меньшими испаряемостью и склонностью к осадкообразованию, меньшим содержанием серы, с контролируемым содержанием тяжелых металлов и температурой застывания ниже 0°C.

Следует отметить, что многие из перечисленных методов снижения эмиссии NOx приводят к некоторому ухудшению экономических характеристик двигателя, так как происходит снижение термического КПД цикла.

Применяемые первичные методы позволяют в значительной мере снизить содержание в выпускных газах экологически опасных веществ. Тем не менее, какое-то их количество образуется и выбрасывается вместе с газами в окружающую среду. Это прежде всего окислы азота NO_X, сернистый и серный ангидриды SO₂ и SO₃ и твердые агломераты неполного сгорания топлива и масла в виде сажи. В процессе эксплуатации в зависимости от состояния дизеля (нагарообразования в цилиндрах и выпускных трактах, работоспособности топливоп0дающей аппаратуры и др.), содержание экологически опасных веществ в выпускных газах может превышать предельно допустимые значения. Поэтому как бы завершающим мероприятием в полном решении проблемы защиты окружающей среды от вредных выбросов с выпускными газами является очистка последних в специальных устройствах, относящихся к вторичным методам.

В основу очистки выпускных газов от экологически опасных веществ

положены: создание условий для образования в парах воды азотной кислоты (по реакции Н₂О -› NC_x -› HNO₃); нейтрализация азотной кислоты в фильтрующих элементах [по реакции HNO₃ + (щелочь) -› (Ca)NaNO₄+H₂0]; механическая очистка от твердой фазы (сажи).

Нейтрализация газов путем удаления токсичных составляющих с помощью химических реакций в нейтрализаторе является эффективным способом решения проблемы комплексной очистки отработанных газов, нашедшим широкое применение на автотранспорте. Однако, с помощью нейтрализаторов, применяемых для автомобильных дизелей, нельзя решить проблему комплексной очистки отработавших газов судовых дизелей, так как находящаяся в дизельном топливе даже в малых количествах сера существенно ухудшает надежность и срок службы нейтрализатора. Поэтому в судовых энергоустановках в настоящее время применяются конструкции нейтрализаторов, где в качестве средства для снижения NOx используется аммиак или мочевина.

Однако эти системы сложны, дорогостоящи (до 15% стоимости силовой установки) и крупногабаритные, что затрудняет их размещение в машинных отделениях речных судов. Основным конструкционным материалом нейтрализатора и фильтра-катализатора, предлагаемого для судов речного флота, является блочная сотовая высокопористая и термостойкая керамика. Ее важнейшим достоинством считается не только способность улавливания твердых аэрозольных частиц сажи и тяжелых углеводородов (НС) на фильтре при всех режимах работы двигателя, но и способность регенерации и самоочистки в температурном окне работы катализатора (250-450°С) без существенного ухудшения газодинамического сопротивления. Стендовые испытания макета нейтрализатора показали, что он позволяет снизить концентрацию NOx нa 20-30%, а СО и легких углеводородов на 40-60%. [5]

ПЕРЕСМОТРЕННОЕПРИЛОЖЕНИЕ VI к КОНВЕНЦИИ МАРПОЛ 73/78

ПОПРАВКИ К ПРИЛОЖЕНИЮ К ПРОТОКОЛУ 1997 ГОДА ОБ ИЗМЕНЕНИИ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНВЕНЦИИ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ЗАГРЯЗНЕНИЯ С СУДОВ 1973 ГОДА, ИЗМЕНЕННОЙ ПРОТОКОЛОМ 1978 ГОДА К НЕЙ