Введение
В последние годы для компаний-перевозчиков обостряется проблема роста цен на судовое топливо. В связи с этим многие судовладельцы стали рассматривать вопрос применения на судах более дешевых тяжелых сортов топлива, альтернативных дорогостоящим легким сортам. Сложившаяся ситуация усугубляется ухудшением качества судовых тяжелых топлив в целом ввиду того, что нефте- и газоперерабатывающие заводы стремятся к повышению глубины переработки нефти и газовых конденсатов [1]. При этом важным эксплуатационным показателем работы двигателя является и топливная экономичность, которая характеризуется расходом топлива судна в различных условиях, связанных с выполнением его работы по перевозке грузов или пассажиров.
Способы улучшения работы судовых двигателей
Для улучшения топлив, особенно тяжелых сортов, используют различные химические и физические методы. В процессе производства или эксплуатации в топливо вводятся присадки, но их стоимость довольно высока, а взаимодействие с топливом может приводить к образованию нежелательных продуктов сгорания.
Физические методы являются безреагентными и заключаются в отстаивании, центрифугировании, фильтровании топлив, которые позволяют избавляться от взвешенных частиц механических примесей и воды.
Одним из нетрадиционных методов обработки топлива считается магнитная обработка. Применение постоянного магнитного поля уменьшает расход топлива, содержание в отработанных газах несгоревших углеводородов и моноксида углерода, повышает тепловой эффект работы двигателя. Механизм воздействия магнитной обработки на нефтяные системы рассмотрен во многих литературных источниках. Подтверждено, что магнитная обработка снижает плотность, вязкость, поверхностное натяжение и увеличивает степень дисперсности дизельного топлива, что приводит к образованию в топливовоздушной смеси более мелких капель, их перемешиванию с горячей газовоздушной средой и в итоге к более полноценному сгоранию топливовоздушной смеси [2].
На эффективность использования постоянного магнитного поля при обработке дизельного топлива указывают многие исследователи.
Авторами [3] установлено, что расход топлива при оптимальных условиях соответствует 5 % экономии топлива по сравнению с расходом необработанного топлива, при этом содержание моноксида углерода в отработавших газах уменьшается в 1,7 раза. Значения варьируемых параметров составляют 0,18 Тл и 0,7 м/с.
В исследовании [4] к дизельному топливу применялись различные способы магнитной обработки с использованием статических магнитных полей магнитной индукцией 0,36 Тл. Магнитные кондиционеры (МК) были установлены в различных местах топливных магистралей в двигателе, а также осуществлялась магнитная обработка дизельного топлива перед его помещением в баки двигателя. Исследование проводилось с использованием четырехтактного двухцилиндрового двигателя Lister Petter (LPWS2) со степенью сжатия 23,5:1 и постоянной частотой вращения двигателя 1 500 об/мин. Были измерены выбросы окиси углерода, двуокиси углерода, кислорода, оксидов азота, а также температура выхлопных газов и массовый расход топлива. Наивысшие уровни снижения были достигнуты с помощью магнитной обработки, при которой MК размещается непосредственно в трубопроводах двигателя. По мере увеличения количества MК в трубопроводах двигателя выбросы загрязняющих газов уменьшаются. С обработкой, при которой один MК – перед каждой форсункой, два MК – на входе в фильтр и два MК – на возврате топлива, смогли увеличить выделение O2 на 6,9 % и снизить выбросы CO примерно на 21,3 % при последней нагрузке генераторной установки. При таком подходе удалось добиться снижения расхода топлива на 5 % при нагрузке двигателя 80 %.
Основная цель работы [5] – обработка дизельного топлива в магнитном поле, создаваемом магнитным полюсом с индукцией 0,12 Тл, для улучшения физических свойств и цетанового числа дизельного топлива, произведенного на Хартумском нефтеперерабатывающем заводе (НПЗ) (Судан). Физические характеристики и цетановое число использованного образца были испытаны в соответствии со стандартами ASTM (Американское общество испытаний и материалов), включая такие физические свойства, как плотность и кинематическая вязкость. Цетановое число дизельного топлива, использованного в этой работе, составляло 55,6 пунктов до прохождения магнитного поля. После обработки свойства образца были улучшены до пределов, установленных ASTM и Хартумским НПЗ. Цетановое число было увеличено до 60,3 пунктов.
Целью исследования [6] являлось выяснение влияния интеграции методов магнитной обработки и нагрева перед впрыском в двигатель на такие показатели, как крутящий момент, мощность и расход топлива. Было использовано биодизельное топливо, состоящее на 95 % из чистого дизельного топлива и на 5 % из растительных масел с переменным числом оборотов двигателя – 1 200, 1 500, 1 700, 2 100 и 2 500 об/мин, температурой нагрева перед впрыском 70 ºС, индукция магнитного поля – 0,0314 Тл. В ходе работы было установлено, что при нагрузке двигателя в 1 700 об/мин и использовании нагрева топлива и магнитного поля перед впрыском был получен максимальный крутящий момент с использованием упомянутого выше биодизельного топлива. Эффективность совместного использования магнитного поля и предварительного нагрева также была доказана получением максимальной мощности двигателя, соответствующей данному методу обработки. В следующем эксперименте было установлено, что применение совместной обработки нагревом и магнитным полем благоприятно сказалось на расходе топлива, что подтверждается уменьшением расхода топлива по сравнению со значением, соответствующим необработанному топливу.
В работе [7] исследовано влияние акустического, высокочастотного электромагнитного излучения, совместного акустического и высокочастотного электромагнитного излучения на групповой и фракционный состав нефти и нефтяного остатка при их термической переработке. Проиллюстрировано, что при обработке нефти акустическим излучением, совместным акустическим и высокочастотным электромагнитным излучением наблюдается эффект «последействия» до нескольких суток после воздействия, сопровождающийся снижением вязкости, температуры начала кипения и температуры застывания. Приводятся данные о влиянии природы волнового излучения на групповой состав нефти. На основании полученных результатов предполагается механизм спинового катализа термического крекинга нефти и нефтяных остатков.
Согласно данным авторов работы [8], благодаря магнитной обработке топлива перед сжиганием основные факторы, влияющие на процесс горения, такие как качество топлива и качество распыления, претерпевают изменения, и процесс горения существенно улучшается. При воздействии на топливо определенной последовательности магнитных волн переменной полярности, генерируемых постоянными магнитами, что является одной из инновационных особенностей системы, предложенной в рассматриваемой статье, происходит интенсификация процесса изменения стереохимии молекул. Эти изменения приводят к увеличению сродства молекул топлива к другим молекулам и ионам, находящимся в непосредственной близости, таким образом, неявно к молекулам кислорода, которые имеют выраженное парамагнитное поведение, и сгорание топлива будет происходить с большей интенсивностью. В рассматриваемой работе испытана и подтверждена серией экспериментальных испытаний на горение инновационная система, используемая для магнитной обработки горючих жидкостей перед сжиганием.
В исследовании [9] при обработке топлива электромагнитной энергией происходит снижение расхода топлива в четырехтактном дизельном двигателе. Электромагниты с различной интенсивностью (0,45; 0,6; 0,85 и 1 Тл) были установлены вдоль топливопровода с сотовой структурой мини-канала и линии всасывания воздуха. Эксперимент проводили на стенде для испытания четырехтактных дизельных двигателей с переменной нагрузкой на двигатель путем приложения магнитного поля средней напряженности к магистрали подачи воздуха и топлива. Было замечено, что воздействие обработки магнитным полем значительно увеличило тепловой КПД тормоза примерно на 13 %, а максимальное снижение расхода топлива на 11 % было получено для индукции поля 1 Тл.
Энергия постоянных магнитов использовалась в исследовании [10] для обработки автомобильного топлива (иракский бензин) с целью снижения потребления, а также сокращения выбросов топливных газов. Эксперименты в данном исследовании включают использование постоянных магнитов с различной индукцией (0,2; 0,4; 0,6; 0,9 Тл), которые устанавливают на топливную линию двухтактного двигателя и изучают их влияние на расход бензина, а также количество выхлопных газов. Испытания показали хорошие результаты, согласно которым расход бензина снизился на 1 % при индукции 0,6 Тл, а выбросы CO и несгоревших углеводородов снизились на 30 и 40 % соответственно. Процентное содержание CO2 в выхлопных газах увеличилось на 10 %. Спектр поглощения инфракрасного и ультрафиолетового излучения проиллюстрировал изменение физико-химических свойств в структуре молекул под воздействием магнитного поля. Поверхностное натяжение бензина, подвергшегося воздействию различных напряжений магнитного поля, измеряли и сравнивали с необработанным образцом.
Целью настоящей работы является исследование влияния магнитной обработки дизельного топлива при магнитной индукции 0,4 Тл на работу судового двигателя 4ЧН9,5/11 при разных режимах.
Методы и объект исследования
В качестве объекта исследования рассматривается дизельное топливо Д-Л-К5.
Согласно результатам экспериментальных исследований наиболее благоприятные условия улучшения показателей топлива создаются при магнитной индукции постоянного магнитного поля 0,4 Тл, линейной скорости потока в активном зазоре 0,2 м/с и четырехкратном пересечении активного зазора. Эти параметры легли в основу разработки магнетизатора с постоянными магнитами. Магнитное поле создается магнитами NdFeB (неодим – железо – бор), встроенными в пластмассовый корпус, изготовленный на 3D-принтере. Соответствие значений магнитной индукции созданного устройства проверено с помощью прибора WT10A Teslameter (производитель – Weiete Magnetic Technology Co Ltd).
Магнитная обработка топлива производилась посредством создания магнитного поля постоянными магнитами, установленными в специальных магнетизаторах на топливопроводе к топливному насосу высокого давления согласно рис.
а
б
Вид двигателя 4ЧН9,5/11 во время испытаний: а – двигатель до установки магнетизатора;
б – с установленным магнетизатором
Методика анализа изменения внешних показателей двигателя 4ЧН9,5/11 при магнитной обработке топлива заключается в следующем: до проведения измерений дизель запускается и прогревается на холостом ходу (n = 800 об/мин), пуск дизеля производится с датчиком давления, установленного во втором цилиндре; после запуска двигатель прогревается до установления рабочей температуры охлаждающей жидкости. Далее устанавливается требуемый режим и после достижения установившегося температурного состояния производятся измерения регистрируемых параметров: температуры воды внутреннего контура охлаждения, масла, температуры уходящих газов; контроль частоты вращения. Запись индикаторных диаграмм производится с помощью программного продукта Oscilloscope PCSU1000.
Расход топлива регистрируется следующим образом: штихпробер отключается от цистерны основного запаса и двигатель питается топливом только из штихпробера. Регистрируется время расхода определенного количества топлива, которое при соответствующем пересчете представляет собой часовой расход топлива. Удельный расход топлива оценивается соотношением часового расхода к мощности, развиваемой двигателем при данном испытании.
Измерения проводятся после достижения двигателем установившегося режима под нагрузкой, т. е. до достижения рабочей температуры охлаждающей жидкости и масла (75 и 50 °С соответственно).
Результаты исследований
Основные внешние показатели двигателя, испытанного по нагрузочной и винтовой характеристикам топлива, до и после магнитной обработки приведены в табл. 1 и 2 соответственно.
Таблица 1
Испытания дизеля 4ЧН 9,5/11 по нагрузочной характеристике
до и после установки магнетизатора
|
Показатели |
Режим, нагрузка |
|||||
|
Холостой ход |
25 % |
50 % |
75 % |
100 % |
||
|
Эффективная мощность Ne, кВт |
До установки |
0 |
6,75 |
13,5 |
20,3 |
27 |
|
После установки |
0 |
6,75 |
13,5 |
20,3 |
27 |
|
|
Среднее эффективное давление ре, МПа |
До установки |
– |
0,17 |
0,34 |
0,52 |
0,69 |
|
После установки |
– |
0,17 |
0,34 |
0,52 |
0,69 |
|
|
Часовой расход топлива Gт, кг/ч |
До установки |
1,46 |
2,39 |
3,56 |
4,75 |
6,8 |
|
После установки |
1,35 |
2,25 |
3,38 |
4,56 |
6,53 |
|
|
Удельный эффективный расход топлива gе, кг/(кВт·ч) |
До установки |
– |
0,354 |
0,264 |
0,234 |
0,26 |
|
После установки |
– |
0,33 |
0,25 |
0,22 |
0,24 |
|
Таблица 2
Испытаний дизеля 4ЧН 9,5/11 по винтовой характеристике
до и после установки магнетизатора
|
Показатели |
Режим, нагрузка |
|||
|
50 % |
75 % |
100 % |
||
|
Частота вращения n, об/мин |
До установки |
1 190 |
1 360 |
1 510 |
|
После установки |
1 190 |
1 360 |
1 510 |
|
|
Эффективная мощность Ne, кВт |
До установки |
17 |
22,4 |
27 |
|
После установки |
17 |
22,4 |
27 |
|
|
Среднее эффективное давление ре, МПа |
До установки |
0,549 |
0,633 |
0,687 |
|
После установки |
0,549 |
0,633 |
0,687 |
|
|
Часовой расход топлива Gт, кг/ч |
До установки |
3,67 |
4,77 |
6,8 |
|
После установки |
3,41 |
4,48 |
6,46 |
|
|
Удельный эффективный расход топлива gе, кг/(кВт·ч) |
До установки |
0,216 |
0,213 |
0,26 |
|
После установки |
0,2 |
0,2 |
0,24 |
|
Согласно табл. 1 при прочих равных параметрах работы двигателя по нагрузочной характеристике часовой расход топлива уменьшился на 4–6 % после магнитной обработки топлива, а удельный расход топлива проиллюстрировал большее снижение – на 6–8 %. Наибольшие изменения расхода топлива имели место при нагрузке 25 и 100 %.
При работе двигателя по винтовой характеристике эффект влияния магнитной обработки на расход топлива (как часовой, так и удельный) проявился несколько больше: до 5–6,5 и 6,5–8,3 % соответственно. Наибольшие изменения расхода топлива имели место при нагрузке 50 и 100 %.
Для уточнения возможностей применения магнитной обработки на морском и речном транспорте следует продолжить исследования с другими видами судового топлива и на других моделях двигателей.
Выводы
- Стендовые испытания проиллюстрировали снижение расхода топлива при испытаниях дизеля на топливе, обработанном в постоянном магнитном поле, на 5–8 %. При винтовой нагрузке двигателя этот эффект заметнее.
- Наибольшее сокращение удельного расхода топлива происходит при работе двигателя с полной нагрузкой (100 %), как при нагрузочной характеристике, так и при винтовой.
- Результаты испытаний по винтовой характеристике подтверждают, что при режиме работы 100 % происходит наибольшее сокращение удельного расхода топлива.
