Каковы особенности компоновки двухтопливной системы на судах

Обновлено: 04.12.2022

В двухтактных двигателях организовать внешнее смесеобразование достаточно сложно, так как перед поступлением в рабочий цилиндр воздух заполняет подпоршневую полость, имеющую достаточно большой объем. Наличие такого большого количества газовоздушной смеси увеличивает опасность взрыва и серьезность его последствий. Поэтому в современных двухтактных двигателях используется внутреннее смесеобразование, при котором газовое топливо подается в рабочий цилиндр уже после закрытия газораспределительных органов.

К внутреннему смесеобразованию существует два основных подхода:

  • газ подается в рабочий цилиндр сразу после закрытия выпускного клапана в начале такта сжатия;
  • газ подается в камеру сгорания вместе с запальным топливом в конце такта сжатия.

Преимуществами первого подхода являются: хорошее перемешивание газовоздушной смеси в ходе процесса сжатия и возможность подавать газ в рабочий цилиндр под относительно небольшим давлением (рис. 4.13).

Рабочий процесс двухтактного газодизельного двигателя с подачей газа в рабочий цилиндр сразу после закрытия выпускного клапана в начале такта сжатия

Недостатками такой схемы смесеобразования являются: возможность возникновения детонационного сгорания и вероятность просачивания газовоздушной смеси через неплотности поршневых колец в подпоршневое пространство на такте сжатия.

В настоящее время работы по созданию двухтактных малооборотных газодизельных двигателей по данной схеме ведет фирма Wärtsilä.

Преимущество второго подхода состоит в том, что при подаче газового топлива непосредственно в камеру сгорания можно полностью исключить возникновение детонации. Однако газ необходимо подавать под высоким давлением, что усложняет топливную систему (рис. 4.14).

Для сжатия природного газа необходимо использование многоступенчатых компрессоров, а для впрыска сжиженного газа — специальных насосов с диафрагменным разделителем. На судах для перевозки сжиженного природного газа проблема его сжатия до высокого давления решается обычно параллельно с необходимостью повторного сжижения перевозимого груза, поэтому для данного типа судов в настоящее время преимущество отдается второй схеме организации рабочего процесса.

Второй подход разрабатывается фирмой Mitsubishi, которая на базе дизелей серии UEC создает собственный вариант газодизельного малооборотного двигателя.

Сегодня только фирма MAN выпускает малооборотные газодизельные двигатели, которые могут использоваться в качестве главных, в том числе и не только на газовозах или нефтеналивных танкерах, но и на других типах судов. Поэтому далее будет рассмотрено более подробно оборудование, входящее в топливную систему этих судов.

В качестве базовых моделей для газодизельных двигателей используются двухтактные малооборотные дизели серий MC и ME. Модернизированные под газодизельный процесс двигатели получили дополнительный индекс GI (Gas Injector). При этом на двигатели с механическим управлением (MC) устанавливается дополнительно электронная система управления процессом подачи газа, а на двигателях с электронным управлением (ME) функции регулирования возлагаются на штатную систему управления. Конструктивно блоки управления подачей газа для всех модификаций мало отличаются. Более существенное отличие состоит в том, под какое газовое топливо переоборудуется двигатель — сжиженный (LPG) или сжатый газ (LNG).

Для работы на жидком топливе и для впрыска запальной порции используется штатная топливная система двигателей. Это упрощает конструкцию (отсутствует специальная система впрыска запального топлива), но не позволяет значительно сократить расход жидкого топлива на запальное зажигание, доля которого для данного типа двигателей составляет 5. 8%.

Рабочий процесс двухтактного газодизельного двигателя с подачей газа в конце такта сжатия

Режимы работы судовых малооборотных газодизельных двигателей

Отчасти вопрос значительного снижения затрат топлива на запальное зажигание для двигателей LNG-танкеров не стоит так остро, поскольку практика эксплуатации показывает, что на номинальном режиме количество испарений способно только на 80. 90% перекрыть потребности двигателя в топливе. При движении в балласте доля испарения может составлять 40. 50%. Поэтому топливная система должна иметь возможность автоматически замещать недостающее газовое топливо жидким в любом соотношении. Кроме того, теплотворная способность газа, поступающего в двигатель, может изменяться.

В начале газовые испарения содержат большое количество азота, который, имея более низкую температуру кипения (–195,75°C), испаряется первым. Поэтому для газодизельных малооборотных двухтактных двигателей рассматривается два режима:

  • 1) при постоянной подаче запального топлива (рис. 4.15а), когда на режиме пуска и малых нагрузок двигатель работает на жидком топливе (MDO, MGO, HFO). Начиная с 25%-ной нагрузки устанавливается постоянная запальная подача, а необходимая мощность регулируется путем изменения количества газа, подаваемого в цилиндр;
  • 2) при использовании всего располагаемого газа (рис. 4.15б), когда на малых и средних нагрузках двигатель работает на жидком топливе. На более высоких нагрузках все газовое топливо поступает в цилиндры, а необходимая мощность регулируется путем подачи жидкого топлива.

Переход с одного вида топлива на другой, как и переход с режима на режим, осуществляется автоматически без снижения мощности на валу во всем диапазоне возможных нагрузок работы двигателя.

ООО «РесурсПромАльянс» осуществляет доукомплектацию отечественных и зарубежных дизельных генераторов двухтопливной системой управления двигателя Altronic Controls, а также проектирование и поставку под ключ полного комплекта оборудования, включая дизель генераторные установки.

Двухтопливная система компании Altronic Controls, Inc. - это новейшая разработка, позволяющая значительно сократить стоимость эксплуатации и снизить вредные выбросы промышленных дизельных двигателей. Это достигается путем замещения части дизельного топлива на более дешевый и экологически чистый природный газ. Двухтопливная система создана на основе патентованных технологий, обеспечивающих безопасную работу дизельных двигателей на топливной смеси с содержанием газа от 50% до 80%. Наиболее важные характеристики двигателя, такие как как КПД, устойчивость, прием нагрузки, практически аналогичны как при работе в двухтопливном режиме, так и в 100% дизельном режиме.

Основное достоинство двухтопливной системы - ее способность переключать топливные режимы без остановки двигателя. Переключение режимов работы двигателя может осуществляться как автоматически, так и вручную, при этом поддерживаются заданные обороты двигателя и выходная мощность. Это позволяет потребителю выбрать тот или иной режим работы двигателя в зависимости от цены на топливо, его доступности и других условий эксплуатации. Не менее важным достоинством двухтопливной системы является ее способность поддерживать заданный уровень выходной мощности при выборе режимов между «продолжительным» и «основным». По достижении уровня, предельного для двухтопливного режима, двигатель автоматически переключается в 100% дизельный режим, не снижая выходной мощности. Дополнительная система динамической подачи газа (ДПГ) хранит в памяти таблицу потребления топлива в зависимости от нагрузки и автоматически изменяет соотношение компонентов топлива во всем диапазоне нагрузок.

Технически совершенная электронная система мониторинга и управления контролирует ключевые параметры двигателя и активирует или деактивирует двухтопливный режим в соответствии с заданными параметрами. Если значение параметра выходит за установленные пределы, контроллер переключает двигатель в 100% дизельный режим и сохраняет код ошибки для последующей диагностики. Панель управления размещается в защитном корпусе II группы I класса эксплуатации.

Основные преимущества двухтопливной системы

  • Не требуется модификация двигателя
  • Не снижается мощность двигателя и КПД
  • Невысокая стоимость и простота установки (2-х топливный агрегат дешевле и практичней газопоршневой станции)
  • Снижается стоимость эксплуатации двигателя
  • Отсутствие необходимости в хранении большого количества дизельного топлива
  • Продлевается время работы резервного двигателя
  • Снижается уровень вредных выбросов двигателя
  • Не требуется высокое рабочее давление газа
  • Независимость от наличия природного газа
  • Отсутствие высоковольтных элементов системы зажигания
  • Меньшие первоначальные затраты (вложения)
  • Технически совершенная электронная система мониторинга и управления

Принцип действия и характеристики двухтопливной системы

В общем случае газ подается в пространство между корпусом воздушного фильтра и турбокомпрессором под давлением, примерно равным атмосферному. Патентованный газовоздушный смеситель позволяет подготовить однородную смесь при минимальном возмущении воздушного потока. После выхода из смесителя газовоздушная смесь сжимается в турбокомпрессоре и по впускному коллектору распределяется в цилиндры двигателя. Обедненная газовоздушная смесь затем сжимается в цилиндре в ходе такта сжатия и воспламеняется в момент впрыска дизельного топлива. Обедненный состав газовоздушной смеси гарантирует невозможность преждевременного воспламения.

Количество газа, поступающего в двигатель, зависит от нагрузки и будет изменяться в соответствии с изменениями воздушного потока. В состав двухтопливной системы входит специализированная система управления, которая регулирует поток газа в соответствии с изменением уровня разрежения в двигателе. Эта технология дает возможность двухтопливной системе изменять количество топлива, поступающего в двигатель, не влияя при этом на работу оригинальной системы управления. В стандартный комплект поставки двухтопливной системы входит регулятор расхода, с помощью которого задается максимально допустимое соотношение газа и дизельного топлива. По отдельному заказу может поставляться система динамической подачи газа (ДПГ), которая автоматически регулирует подачу газа в зависимости от нагрузки. Подача дизельного топлива контролируется оригинальной системой управления как в дизельном, так и в двухтопливном режиме.

Электронная панель управления контролирует различные параметры двигателя и системы, такие как давление и температура воздуха на выходе из турбокомпрессора, температура отработавших газов, разрежение во впускной трубе, рабочее давление газа и вибрация двигателя. Эта информация дает возможность контроллеру определить момент активации или деактивации двухтопливного режима в зависимости от состояния двигателя, нагрузки, температуры окружающей среды, уровня вибрации и рабочего давления газа. Связь контроллера серии DE компании Altronic с системой дистанционного мониторинга двигателя возможна через интерфейс RS-232/RS-485 (ASCII или MODBUS протокол).

Параметры двигателя при работе в двухтопливном режиме остаются обычно на том же уровне, что и в дизельном режиме. Количество теплоты, отводимое системой охлаждения и отработавшими газами, остается в пределах нормы. Реакция двигателя на увеличение или уменьшение нагрузки при работе в двухтопливном режиме обычно такая же или лучше, чем при работе в дизельном режиме, благодаря уникальной конструкции двухтопливной системы и особенностям горения газовоздушной смеси.

Основные компоненты и подсистемы

Газовоздушный смеситель

Для оптимального перемешивания натурального газа и поступающего в двигатель воздуха используется патентованный газовоздушный смеситель. Специальная конструкция, в которой отсутствуют подвижные элементы, способствует тщательному перемешиванию газа и воздуха и гарантирует поступление в двигатель достаточного количества газовоздушной смеси, поддерживая при этом заданную производительность двигателя. В производстве использовались аэрокосмические технологии, обработка на станках с ЧПУ и современная техника сварки. Смеситель не имеет подвижных элементов и после установки не нуждается в обслуживании.

Регулятор расхода газа

Составной частью двухтопливной системы является регулируемый элемент, установленный перед газовоздушным смесителем. Регулятор расхода газа - специальный компонент системы, который задает максимально допустимое соотношение газа и дизельного топлива при данной нагрузке. Регулятор расхода газа совместно с газовоздушным смесителем и регулятором нулевого давления обеспечивает подачу в двигатель необходимого количества газа. Подобно газовоздушному смесителю, регулятор расхода газа сконструирован с помощью системы автоматизированного проектирования, обработан на станке с ЧПУ и не нуждается в обслуживании.

По отдельному заказу поставляется также версия системы «Динамическая Подача Газа». В этой версии вместо регулятора расхода газа используется клапан переменного давления, управляемый контроллером на основе таблицы данных для точного регулирования потока газа.

Газовая магистраль

Важнейшая функция двухтопливной системы - корректировка параметров газа до подачи его в двигатель. «Газовая магистраль» системы включает в себя 50 микронный фильтр, электронный клапан, приводимый в действие в случае опасности или для отключения системы, и регулятор нулевого давления постоянного расхода. Последний компонент уменьшает рабочее давление газа (7-35кПа) до давления, практически равного атмосферному. В конструкции реализована схема управления «по потребности», когда поток газа зависит от потока воздуха, поступающего в двигатель. С изменением нагрузки изменяется количество воздуха, поступающего в двигатель, что автоматически вызывает изменение потока газа, поступающего в газовоздушный смеситель.

Панель управления

Панель управления собрана на основе хорошо себя зарекомендовавшего контроллера серии DE компании Altronic и обеспечивает надежное управление системой и безопасное отключение. Панель разработана специально для управления двухтопливной системой, имеет несложную конструкцию и легко управляется. тиях.

Версия «динамической подачи газа» (дпг)

При работе двигателя на переменную нагрузку используется версия Динамической Подачи Газа. В этих случаях двухтопливная система использует измеритель расхода дизельного топлива и электронный клапан компании Altronic для динамического управления потоком газа при изменении нагрузки. Применяется на приводных двигателях компрессоров, насосов и генераторов во всем диапазоне нагрузок.

Типоразмеры и комплектность двухтопливной системы

Стандартная система используется, когда нагрузка двигателя относительно постоянна. Поступление газа в камеру сгорания регулируется газовоздушным смесителем как функция потока воздуха, всасываемого двигателем.

Версия «динамической подачи газа» (дпг) предназначена для оптимизации параметров двигателя при переменных нагрузках. Подача газа в двигатель регулируется контроллером на основе таблицы данных как функция нагрузки. Соответствует стандарту CSA, класс I, раздел 2, группа D.

* Газовая магистраль включает в себя: газовый фильтр, регулятор нулевого давления, двойной отсечной клапан, соединительные фланцы и крепежные детали.

В ближайшие годы из-за ужесточения экологического законодательства многим судовладельцам предстоит сделать важный выбор в части энергоустановок своих судов. Вариантов снизить выбросы вредных веществ не так уж и много. Можно перейти малосернистое топливо, но его стоимость намного выше обычного судового топлива. Можно установить устройство очистки выхлопных газов от серы (скруббер), но для этого потребуется дополнительное место. Наконец, можно перейти на газовое топливо, получаемое на борту из сжиженного природного газа (СПГ).

Помимо полностью газовых, многие производители предлагают двухтопливные двигатели (как правило, имеют в обозначении буквы DF – dual fuel). О том, что представляет из себя такой двигатель, и как он работает, в сегодняшнем рассказе ТГД.

Принцип работы

На газовое топливо без особых конструктивных изменений легко перевести автомобильные бензиновые двигатели внутреннего сгорания, где воздушно-топливная смесь воспламеняется от свечи зажигания. Однако на судах используются дизельные двигатели, где воспламенение топлива происходит от сжатия.

Для решения этой проблемы используется так называемое запальное или пилотное топливо. Обычно это дизельное топливо, которое подаётся в цилиндр в небольшом количестве (1-3% от общего объёма) вместе с газом. Таким образом двухтопливный двигатель работает в режиме газодизеля.

Для работы с традиционным жидким топливом (тяжёлый мазут (HFO), судовое дизельное топливо (MDO), судовой газойль (MGO)) двухтопливный двигатель переводится в обычный режим дизеля, во время которого в цилиндр подаётся один вид топлива.

Сложности и решения

Очевидно, что возможность использования режимов дизеля и газодизеля в одном двигателе влечёт за собой ряд задач, требующих решения. Например, значительно повышаются требования к топливной аппаратуре.

Разные производители по-разному решают эти задачи. Например, в двухтопливном двигателе MAN 35/44 DF для режима газодизеля используется отдельная система впрыска.

Японский производитель Yanmar в двухтопливном двигателе 6EY26DF применил технологию высокоточного воздушного потока, которая позволяет оптимизировать условия сгорания. В результате производитель заявляет возможность переключения между режимами даже при полной нагрузке двигателя.

Главный газовый клапан открывается и закрывается в заданные моменты времени и подает требуемое количество газа во впускной патрубок крышки цилиндра.

16.12

Газ поступает в цилиндр в процессе его наполнения воздухом. Подача осуществляется через главный гидравлически управляемый клапан (рис 16.10), установленный во впускном патрубке цилиндра. Открытие клапана осуществляется маслом, сжатым до 370 бар. Фазы открытия и закрытия клапана определяются электронным блоком управления, подающего ток на соленоид клапана.

Воспламенение бедной смеси «газ-воздух» инициируется пламенем, возникающим при самовоспламенении заранее впрыснутого в камеру сгорания небольшого количества топлива (pilot-injection). Подача дизельного топлива на двигатель (рис. 16.11) осуществляется двумя путями. Топливо для предвпрыска сжимается отдельным скальчатым насосом до 1000 бар и направляется в аккумулятор, в котором поддерживается постоянное давление. Из аккумулятора топливо поступает к форсункам. Каждая форсунка имеет два сопла и две иглы. Малая игла для pilot-injection и большая — для основной подачи при работе двигателя на MDO. Момент и продолжительность открытия малой иглы определяется открытием и закрытием установленного в форсунке клапана, управляемого соленоидом. Ток на соленоид поступает от общего электронного блока управления. Большая игла управляется гидродинамически, угол опережения и количество подаваемого топлива задаются ТНВД в его обычном для дизелей варианте. Расход дизельного топлива на предвпрыск не превышает 1 г\кВт час.

Основное преимущество двухтопливных двигателей состоит в том, что они работают на дешевом газовом топливе и их рационально применять на судах-газовозах и в береговых энергетических установках на газовых промыслах. В случае перебоев в подаче газа двигатель может продолжать работать на жидком топливе MDO (Marine Diesel Oil).

Газодизель фирмы МАН Дизель 32 \ 40 DG

16.14

Принципиально он мало отличается от ранее рассмотренного. Отличие заключается, в основном, в топливной аппаратуре – впрыск дизельного топлива осуществляется от двух ТНВД и через две форсунки. Один комплект для запального топлива, второй для основной подачи (при переходе на работу на дизельном топливе). Здесь же на рисунке во впускном канале крышки цилиндра установлен и показан гидравлически управляемый клапан подачи газа.

Преимущества двухтопливных двигателей, газодизель

Потенциальные преимущества двухтопливных двигателей имеют эффективность, подобную дизельному с гораздо более низким выбросом оксидов азота (NOx) и твердых частиц. Многие существующие дизели могут быть переведены на двухтопливную работу. Такие преобразования могут быть оправданы только за счет экономии топлива в таких применениях, как железнодорожные локомотивы, морские суда, коммерческий транспорт и спецтехника.

Двухтопливный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания, в котором основное топливо (обычно природный газ) смешивается более или менее однородно с воздухом в цилиндре, как в двигателе с искровым зажиганием. В отличие от двигателя с искровым зажиганием, воздушно-топливная смесь воспламеняется путем впрыскивания небольшого количества дизельного топлива, когда поршень приближается к верхней мертвой точке. Дизтопливо быстро подвергается реакциям предварительного воспламенения и воспламеняется из-за высокой температуры сжатия, как в дизельном двигателе. Сгорание дизельного двигателя затем зажигает топливовоздушную смесь в остальной части цилиндра.

Одним из преимуществ двухтопливных двигателей является то, что - в большинстве случаев - они могут быть рассчитаны на взаимозаменяемую работу газа с дизельным двигателем или на 100% дизельном топливе. Это делает их особенно ценными в условиях, когда использование природного газа необходимо по экологическим или экономическим причинам. Например, двухтопливный грузовик может работать на метане, где имеются заправки АГНКС, например в городских районах. Однако, если грузовому автомобилю придется преодолевать расстояния с отсутствием газовых заправок, он может использовать 100% дизель.

Другим преимуществом двухтопливных двигателей является легкость, с которой большинство существующих дизелей можно перевести на двухтопливную работу. В отличие от трудности, связанной с преобразованием дизельного двигателя в искровое зажигание, многие дизельные двигатели можно перевести на двухтопливную работу, даже не снимая головки цилиндров. Принимая во внимание большое количество используемых дизельных транспортных средств, такие двухтопливные преобразования могут сделать возможным широкую замену дизельного топлива на природный газ.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: