Введение К основным показателям эффективности работы морского и речного транспорта относятся экономичность и межремонтный ресурс главных и вспомогательных энергетических установок судов, а также их экологическая чистота. Экономичность и экологическая чистота энергетических установок определяется не только их конструктивными особенностями и эксплуатационными режимами, но и качеством применяемого топлива. Известно, что углеводородное топливо в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), несмотря на все их совершенство, сгорает не полностью. Методы и результаты исследования Для улучшения сгорания топлива в цилиндрах двигателей ООО «ЭКО-СИСТЕМЫ» разработаны устройства - молекулярные модификаторы топлива (МТ), которые позволяют улучшать структуру, фракционный и групповой состав топлива, что повышает качество распыления топлива, увеличивает теплоту и полноту его сгорания [1-3]. Принцип работы устройства МТ заключается в воздействии переменным электрическим полем на молекулы углеводородов, которое приводит к деструкции одной части молекул и к возбуждению колебательных уровней у другой их части. Параметры переменного электрического поля, физические характеристики топлива и геометрия рабочей камеры устройства МТ связаны зависимостью, которая в простейшем виде (коаксиальная камера) имеет вид fэф = βNАвρЕвозбGln(Rн/Rвн)/МU2CSL2, где fэф - эффективная частота генератора поля; β - необходимая глубина модификации топлива; NАв - число Авогадро; ρ - плотность топлива; Евозб - энергия возбуждения молекул топлива; G - объемный расход топлива; Rн, Rвн - радиусы наружного и внутреннего электродов камеры; M - молекулярная масса топлива; U - амплитуда напряжения генератора поля, C - электрическая емкость камеры; S - площадь сечения камеры, занятая топливом; L - длина камеры [4]. Результаты влияния молекулярной модификации на физические характеристики дизельного топлива представлены в табл. 1. Таблица 1 Изменение физических характеристик модифицированного дизельного топлива Показатель Топливо ГОСТ 305-82 Топливо после модификации Изменение показателя, % Влажность, % Следы Следы 0 Плотность при 20 °С, кг/м3 837,7 835,7 - 0,25 Температура вспышки, °С 81 72 - 11 Кинематическая вязкость, сСт 5,27 4,50 - 14,6 Стендовые испытания устройства МТ были выполнены на двигателе ЯМЗ-238 в сертифицированной испытательной лаборатории Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого по методике, соответствующей ГОСТ 18509-88. Сравнение нагрузочных характеристик двигателя ЯМЗ-238 на частоте вращения коленчатого вала 1400 об/мин без модификатора и с модификатором топлива приведено на рис. 1. Рис. 1. Изменение удельного расхода топлива: 1 - без установки МТ; 2 - при установке МТ После установки МТ на дизельных двигателях выявлено значительное улучшение основных экологических показателей. Зависимость дымности двигателя ЯМЗ-238 от нагрузки при 1400 об/мин приведена на рис. 2. Рис. 2. Изменение дымности выхлопных газов двигателя: 1 - без установки МТ; 2 - при установке МТ Для анализа эффекта молекулярной модификации топлива проведена оценка изменения основных параметров двигателя после установки устройства. Усреднение параметров проводилось по двадцати режимам испытаний. Результаты анализа приведены в табл. 2. Таблица 2 Изменение параметров двигателя при установке устройства МТ Параметр сравнения Расход топлива Эффективность КПД СО СН NOx Дымность Отклонение, % - 6,2 + 6,2 - 5,4 - 6,8 + 5,3 - 24,0 В ходе стендовых испытаний выявлено положительное влияние МТ на расход топлива, эффективный КПД двигателя, а также на содержание в отработавших газах твердых частиц. Незначительный рост содержания в отработавших газах оксидов азота NOx подтверждает факт активизации процесса сгорания топлива [5]. Уменьшение расхода топлива на 6,2 % требует также уменьшения необходимого количества воздуха для его сжигания, поэтому относительный общий (массовый) выход оксидов азота остается практически неизменным. Модификаторы топлива были испытаны на вспомогательных двигателях 6ЧСПН-18/22, работающих в составе судовой электроэнергетической установки. Результаты испытаний этих двигателей с устройством МТ приведены в табл. 3. Таблица 3 Изменение параметров судового дизель-генератора 6ЧСПН-18/22 при работе с МТ Измеряемые параметры Нагрузка, кВт в штатном режиме эксплуатации при включенном МТ 45 75 100 45 75 100 Расход топлива, кг/ч 17,59 22,95 30,16 15,04 20,5 25,07 Уменьшение расхода, % - 14,5 10,7 16,9 Давление воздуха в компрессоре, кг/см2 0,2 0,25 0,3 0,15 0,25 0,3 Качество вырабатываемой электроэнергии, Гц 49,2 49,3 49,1 49,9 49,9 49,9 Устройства молекулярной модификации топлива получили сертификат соответствия Росстандарта и типовое одобрение Российского морского регистра судоходства. На рис. 3 показаны устройства МТ для различных двигателей. Мощность, потребляемая устройствами, не превышает 5 Вт. Рис. 3. Внешний вид различных модификаторов топлива Испытания энергетических установок, работающих на легком и тяжелом жидком углеводородном топливе, продемонстрировали, что молекулярная модификация приводит к уменьшению удельного расхода и улучшению качества сгорания топлива. Полученные результаты применимы и для дизельных двигателей морских судов, работающих на флотском мазуте, который представляет собой промежуточную между мазутом и дизельным топливом смесь углеводородов. Так, МТ был установлен на главном двигателе морского судна «Bаltiс Moon» в качестве пилотного проекта. Среднесуточный расход топлива - около 30 т. После включения в работу МТ было зафиксировано следующее: мощность двигателя увеличилась на 3,3 %, обороты турбины выросли на 100 об/мин, а давление наддува выросло на 0,05 кгс/см2, при этом частота вращения гребного вала увеличилась на 1 об/мин, скорость судна увеличилась на 0,1 узла, что сократило среднее время рейса на 12 ч. Следовательно, экономия топлива за рейс составила около 15 т. Работа МТ была проверена на судне «Pride» (танкер-суэцмакс), предназначенном для перевозки сырой нефти. С целью более эффективного использования судового топлива на судне были модернизированы системы топливоподачи вспомогательного дизель-генератора № 1 DAIHATSU 6DL-24 мощностью 820 кВт и вспомогательного парового котла № 1 MITSUBISHI тип MAC производительностью 27500 кг/ч при давлении 16 кг/см2. Получены следующие результаты: для парового котла - снижение расхода топлива на 5,6-7,0 %, а для дизель-генератора - на 4,5-5,0 %. Результаты, полученные на судовом вспомогательном дизель-генераторе № 2 «MAN B&W 7L23/30» и на котле фирмы «Aalbord», тип «AQ-9», работающих на судовом топливе ИФО-380, на судне «Натали» (танкер-суэцмакс), также подтверждают эффективность модификатора. Расход топлива снизился в среднем на 6,5 %. Модификация топлива, приводящая к улучшению качества его сгорания в цилиндрах двигателей, позволяет увеличить ресурс их эксплуатации. Так, в частности, были выполнены ресурсные (80-часовые) испытания двигателя ВАЗ-2111, работающего на бензине, на стенде испытательной лаборатории Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого [6]. Точное взвешивание деталей двигателя после испытания показало уменьшение износа поверхностей трения и уменьшение загрязнений на внутренних его поверхностях - цилиндрах, поршнях, кольцах, свечах зажигания. Для проверки эффективности применения модификатора на тяжелых топливах он был установлен в систему питания обжиговой печи сушильного барабана СБ-11 на Оленегорском железорудном комбинате. На рис. 4 (слева) приведена фотография топки печи, сделанная сразу после остановки сушильного барабана. На фотографии зафиксирован процесс догорания битумов, скопившихся в топочном пространстве. На рис. 4 (справа) та же печь, остановленная после работы с МТ. Битумных отложений в топке нет и, следовательно, нет явления их догорания. Рис. 4. Горение битумных отложений после остановки печи сушильного барабана (слева) и остановленная печь, работавшая с устройством МТ (справа) Испытания МТ в составе котельных установок показали существенное уменьшение сажевых отложений, в особенности на поверхностях нагрева. Так, например, в котле ДКВр-10/13 после установки МТ общий объем сажевых отложений за период между чистками котла уменьшился с 5,0 м3 до 0,5 м3. В течение 20 суток непрерывной работы аэродинамическое сопротивление котла оставалось неизменным. Заключение Снижение дымности дизельного двигателя, работающего на легком топливе, и уменьшение сажевых отложений в камерах сгорания ДВС и в котлах позволяют сделать вывод о возможности увеличения межремонтного ресурса энергетических установок. Таким образом, технология молекулярной модификации углеводородного топлива может быть рекомендована для внедрения в транспортную энергетику с целью снижения себестоимости транспортного процесса. Отметим области науки и техники, в которых использование технологии и устройств МТ могло бы стать перспективным: - повышение технических характеристик и длительности эксплуатации энергоустановок, работающих на жидком углеводородном топливе; - восстановление физических характеристик органических теплоносителей-замедлителей ядерных энергетических установок [7, 8]; - увеличение ресурса электрохимических генераторов, работающих на органических соединениях.