Исследование и разработка устройств каталитической обработки топлива для двигателей речных судов

Актуальность темы

.

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов является одной из актуальных задач не только для судов речного флота, но и для всего дизельного парка в целом. Увеличение цен на топливо вследствие растущего дефицита дистиллятных фракций, а также ужесточение норм на количество вредных выбросов с отработавшими газами стимулирует поиск и изучение различных способов интенсификации сгорания топлива в двигателях.

В связи с этим значительный интерес вызывают разработки и исследования устройств низкотемпературной каталитической обработки топлива. Наиболее перспективными из них для условий применения на судне являются устройства на основе катализатора гидрирования никеля Ренея, а также металлических сплавов, обладающих определенной каталитической активностью.

Теоретических и практических исследований в области обработки топлива на катализаторах гидрирования нами найдено не было, за исключением исследований в этой области, проведенных чл. корр. АН СССР, проф. А. Д. Петровым.

Вопросам электростатической обработки магнитным и электрическим полями (обработку топлива на катализаторе с активным сердечником мы также относим к этим видам обработки) посвящено много исследований. Значительный вклад в разработку теории электростатической обработки топлив был внесен A.M. Багдасаровым, К. Асакавой, H.A. Ефимовым, В. А. Звоновым, A.M. Красносельским, Э.К. Копейки-ной, Н. С. Ревзиным, Ю. М. Кузнецовым и др.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в области практического применения такого типа устройств, единой теории, позволяющей обрисовать картину явлений, происходящих при сгорании наэлектризованных топлив, до настоящего времени нет. Практически нет единого мнения о процессах, происходящих при обработке топлив на катализаторах с сердечниками, шариками из металлических сплавов и т. п. Следовательно, нет теоретического обоснования размеров и формы сердечников, шариков, скоростей их обтекания топливом, места расположения относительно устройств топливоподачи и т. д.

В связи с этим тема проведенного исследования актуальна.

Цель работы.

Целью работы является теоретическое исследование и описание физико-химических процессов, происходящих при обработке топлива с помощью катализаторов, и создание на основе проведенного исследования, а также анализа литературных источников, касающихся различных (в том числе каталитических) методов совершенствования процессов сгорания в дизелях, эффективного устройства каталитической обработки топлива.

Исследование выполнено с помощью экспериментальных и теоретических методов.

Экспериментальное исследование выполнено на лабораторных стендах и в судовых условиях с учетом требований и рекомендаций нормативно-справочной литературы. Полученные результаты обрабатывались с использованием основных положений теории погрешностей. В экспериментах использовались отечественные датчики и анализирующе-регистрирующая аппаратура, например, комплекс АИР-50, электронный индикатор ЛИВТа и др.

Теоретическое исследование выполнено с использованием основных законов физики и химии и с привлечением накопленного экспериментального материала. Часть выводов сформулирована по результатам анализа экспериментальных данных, полученных в настоящей работе, а также по результатам моделирования процессов каталитической обработки топлива на компьютере.

Научная новизна.

Сформулированы новые положения, необходимые для описания процессов, происходящих при каталитической обработке топлив и их сгорании в двигателях.

Разработана технология изготовления устройства каталитической обработки топлива на основе активного металлического сплава.

Разработаны математические модели, позволяющие оценить изменение физико-химических характеристик топлива после его обработки на никелевом катализаторе, а также оптимальные геометрические размеры активного сердечника.

Практическая ценность.

Разработаны конструкции предлагаемых устройств и схемы их включения в состав судовой системы топливоподготовки, что позволит повысить топливную экономичность судовых дизелей.

Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Волжской государственной академии водного транспорта (Н. Новгород, 1996 — 1999) и международной научно-технической конференции «Энергосберегающие теплотехноло-гические процессы и установки» (Севастополь, 1997).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

Выполненный литературный поиск методов совершенствования процесса сгорания в дизельных двигателях позволил сузить область исследования, которая была ограничена рассмотрением различных методов каталитической обработки топлива. Наиболее перспективными из них признаны технологии обработки топлива с помощью скелетного катализатора никеля Ренея в присутствии водорода и активного катализатора, изготовленного из сплава на основе цинка. Отличительной особенностью этих катализаторов являются: простота, надежность и низкая температура, при которой осуществляются физико-химические процес.

Проведен анализ физико-химического механизма процессов, протекающих на данных катализаторах, а также физико-химического механизма влияния обработанного топлива на процессы предпламенной подготовки и сгорания. Это позволило оценить воздействие никелевого катализатора на процесс сгорания, а также сформулировать основные требования к конструкции и режимам работы катализатора на основе цин.

В лабораторных и судовых условиях проведено экспериментальное исследование параметров рабочего процесса двигателей 6ЧРН 27,5/36 и 6ЧРН 36/45 (Г70−5), которое подтвердило эффективность обработки топлива при помощи данных катализаторов, о чем свидетельствует снижение расхода топлива: на никелевом катализаторе на 1,6 — 3,8%, в зависимости от нагрузки двигателяна катализаторе с активным сердечником на 1,4 — 5,4%, в зависимости от нагрузки и режима работы двигателя.

При этом отмечено незначительное повышение максимального давления цикла на 0,05 — 0,246 МПа и снижение температуры отработавших газов на 2,5 — 20 °C.

При проведении теоретического и экспериментального исследования получены частные выводы, наиболее интересными из которых являются следующие:

1. Электростатическое заряжение топлива практически не влияет на размеры капель, получаемых при распыливании.

2. Наличие заряда в капле способствует уменьшению поверхностного натяжения. Интенсивность снижения этого параметра увеличивается с уменьшением размера капли.

3. При уменьшении радиуса капли заряженного топлива до значения гкр происходит уменьшение давления насыщенного пара у ее поверхности. В результате этого снижается скорость испарения вещества капли.

4. При испытаниях активного катализатора на основе цинка максимальная экономия топлива (3,35% при работе двигателя по нагрузочной характеристике, 5,4% - по винтовой характеристике) наблюдалась при параллельном соединении секций катализатора.

5. При работе двигателя по нагрузочной характеристике на режимах 0,5Ре и 0,75Ре получена приблизительно одинаковая экономия топлива («3% и «2%, соответственно) как при его гидрировании, так и при обработке на цинковом катализаторе.

6. При работе двигателя на гидрированном топливе и топливе, обработанном с помощью цинкового катализатора, замечено изменение параметров рабочего процесса. Характер изменения параметров сохранялся при переходе с одного способа обработки топлива на другой.

7. На основании изложенного в пунктах 5 и 6 можно предположить, что механизмы воздействия описанных видов обработки топлива на рабочий процесс аналогичны. Сущность его заключается, по.