АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Патров Фёдор Владимирович УПРАВЛЕНИЕ ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬЮ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ КАК СРЕДСТВО АДАПТАЦИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ К УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ Специальность – Судовые энергетические установки (главные и вспомогательные) Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Дорохов А.Ф.

Цель работы Выработка концепции управления воспламеняемостью путём изменения влагосодержания ВТЭ для повышения эффективности рабочего процесса судового дизеля на основных эксплуатационных режимах. 2

Задачи исследования Исследование особенностей использования ВТЭ как топлива судовых дизелей Анализ работы двигателя на водотопливных эмульсиях Анализ возможных схем управления в судовых двигателях Выбор электронных средств управления топливной системой дизеля Обработка результатов экспериментальных исследований и построение аналитических зависимостей рабочего процесса в функции влагосодержания ВТЭ 3

Анализ процесса распыливания эмульсии d к.ср /d 0 = f(We M ρ 10 /ρ 20 С w ) (1) d к.ср /d 0 = (0,612 – 0,47 С w )( We ρ 10 /ρ 20 ) -0,266 M 0,0733 (2) We = w 20 2 ρ 20 d 0 /σ – критерий Вебера; M = μ 20 /( ρ 20 d 0 σ) – критерий, учитывающий физические свойства жидкости; d 0 - диаметр сопла; μ 20 - динамическая вязкость топлива; ρ 10, ρ 20 - плотность топлива и воздуха; σ - коэффициент поверхностного натяжения; w 20 - скорость истечения ВТЭ из сопла. 4 Опытный материал, обработанный на основе формулы А.С. Лышевского, позволил получить конкретный вид выражения: Анализируя данную зависимость, видно, что при одинаковых значениях We ρ 10 /ρ 20 и М - средний размер капель ВТЭ меньше, чем чистого топлива

Анализ влияния давления и температуры среды на процесс испарения капель (3) 5 τ э – время существования капель ВТЭ до момента микровзрыва; k – коэффициент теплопроводности топлива; d к – размер капель ВТЭ; р с и Т с – давление и температура газовой среды; р с 0 и Т с 0 – характерные значения тех же величин (р с 0 = 0,102 МПа, Т с 0 = 273 К); T s и T s0 – температуры кипения воды при среднем размере водяных включений α ср и при α ср 0 = 2…3 мкм. Анализ данной зависимости показал, что время испарения капли ВТЭ значительно сокращается с ростом температуры среды Т с и размера водяных включений α ср и увеличивается с возрастанием давления р с

6

Температура в центре поршня двигателя 4Ч8,5/11 при работе на ДТ и ВТЭ 7

Общая схема взаимодействия автоматических систем регулирования и управления с главным двигателем 8

Общая схема управления в судовом двигателе 9

Общая схема адаптивного управления 10 Система адаптивного управления Накопление статистики и ее обработка Съем текущих значений характеристик Характеристи ки внешней среды Характеристик и судового двигателя Характеристи ки судна Прогнозировани е значений характеристик Характеристики груза (пассажира состава) Контроль отклонений Выработка управленческих решений Судовые двигатели Обработка и подготовка данных

Математическое моделирование процессов адаптивного управления 11 Приращение А матрицы объекта может изменяться в процессе эксплуатации, ставим задачу синтезировать коэффициенты закона управления c T x таким образом, чтобы система была работоспособной и отвечала заданным требованиям при любых изменениях A. Решение этой матрицы даёт управляющий сигнал на изменение влагосодержания. (4)

Общая схема алгоритма адаптивного управления 12

Общая схема функционирования системы управления топливной подсистемой судового двигателя. 13

Расчётный индекс воспламеняемости (CII) и ароматичности топлива (CCAI) 14 CII=270,795+0,1038·T–0,25456·ρ+23,708lg·[lg·(ν +0,7)] CCAI=ρ lg·[lg·(ν+0,85)]-483lg·[(T+273)/323] где: Т-температура, К; ν- кинематическая вязкость при температуре Т, мм 2 /с; ρ-плотность при температуре 15°С, кг/м 3. Плотность и кинематическая вязкость ВТЭ определялись по соотношениям: э = т -0,01C w ( т - в ) э = т (1+2,36C w 1,2 ) (5) (6) (7)

Плотность ВТЭ при различной степени влагосодержания 15 Л З ДТ ДМ ТГ

Кинематическая вязкость ВТЭ при различной степени влагосодержания 16

Зависимость расчётного углеродно- ароматического индекса CCAI ВТЭ от Cw 17

Общий вид экспериментальной установки с дизелем 3Ч 17,5/24 18

Графическое изображение результатов оцифровки осциллограммы 19

Фрагмент изменений рабочих параметров дизеля 3Ч17,5/24 20 Рz, МРа Т/100, К Q, KJ (dР/df i ), МРа/gr (dх/df i ), м/c Х

Аналитические зависимости основных параметров рабочего процесса дизеля от влагосодержания ВТЭ ДТ 21

Экстремумы основных показателей рабочего процесса судового дизеля от влагосодержания ВТЭ ДТ2

Научная новизна работы Впервые предложен принцип адаптации рабочего процесса судового дизеля к условиям эксплуатации и требованиям MARPOL посредством управления воспламеняемостью за счёт регулирования влагосодержания в водотопливной эмульсии Уточнены и систематизированы данные о пределах самовоспламенения и периодах его задержки для водотопливной эмульсии с различным процентным содержанием воды Выведены новые аналитические зависимости основных показателей рабочего цикла судового дизеля (ge, pi, ήe, NOx, COx и др.) от влагосодержания водотопливной эмульсии Предложена принципиальная схема электронного управления впрыском водотопливных эмульсий с изменением его состава по влагосодержанию Проведена оценка воспламеняемости топлива с учётом расчётного углеродно–ароматического индекса CCAI в программе электронного управления дизелем 2323

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 24

Спасибо за внимание!