ООО"ФилАвто"   г.Энгельс

8(8453)771368,   8(8453)711439   filavto@yandex.ru

 

 

Топливные системы газожидкостных дизелей.

Топливные системы малооборотных дизелей для работы на жидком и газообразном топливах.

В последние годы возрос интерес к использованию природного газа в двухтактных крейцкопфных малооборотных дизелях. Фирмами MAN- B&W и Mitsui предложена система подачи газа в цилиндры двигателя под высоким давлением, преимуществом которой является то, что газ не сжи­мается на такте сжатия. Это устраняет вероятность детонации, что являет­ся ограничивающим фактором для повышения среднего эффективного давления при подаче газа при низком давлении (см. рис. 2.12).
Конструкция двигателя и топливная система имеют ряд изменений по сравнению с двигателем, предназначенным для работы только на тяже­лом топливе.
Газовое топливо сжимается в компрессоре 1 (рис. 2.76) до давления примерно 25 МПа, необходимого для подачи газа в цилиндры двигателя в конце процесса сжатия. Затем газ охлаждается, очищается от влаги и по­ступает в буферный бак (на рис. не показаны). Из бака газ по трубопро воду 2 поступает в аккумулятор 1 (рис. 2.77) и через быстродействующий клапан отключения подачи газа 3 поступает к форсункам 4. Форсунка спе­циально сконструирована для одновременного впрыскивания запально­го жидкого топлива и основной дозы газообразного топлива. Схема, кон­струкция и система управления топливо-газовой форсункой рассмотрена в следующем разделе. В случае зависания иглы форсунки клапан, пере­крывает подачу газа в цилиндр и сбрасывает его в трубопровод 5, отво-


Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



дящий газ за пределы машинного отделения. Все трубопроводы имеют двойные стенки 6, чтобы предотвратить утечку газа в случае разрыва га­зовой трубы. Пространство между трубами, фланцами и клапанами и т.д. вентилируется с десятикратным обменом воздуха в час вытяжным венти­лятором 3 (см. рис. 2.76), а давление воздуха в пространстве между тру­бами поддерживается ниже давления в машинном отделении. Забор воз­духа 4 вентилятором и выход воздуха или газовоздушной смеси, в случае утечек, осуществляется за пределами машинного отделения. В случае не­исправности в работе форсунки газ по трубопроводу 5 отводится в атмо­сферу.
Для воспламенения газа в цилиндр впрыскивается жидкое топливо в количестве 8% при работе на МДМ.
Дизель может работать только на жидком топливе или при различ­ных соотношениях жидкого и газообразного топлива. Все пуски и оста­новки двигателя производятся только на жидком топливе, которое посту­пает по трубопроводу 6, а отсечное топливо и непрерывно циркулирую­щее через ТНВД и форсунку отводится по трубопроводу 7.
При переходе с работы на газе на жидкое топливо вся топливная си­стема автоматически продувается инертным газом (азотом), который по­дается по трубопроводу 8 под давлением 0,25 МПа. При продувке трубо­проводов автоматически перекрывается нормально открытый клапан 9 и открывается нормально закрытый клапан 10.
В случае попадания больших количеств газа в выпускной коллектор, например, при пропуске вспышек в цилиндре, или позднего воспламене­ния, в коллекторе может произойти сгорание газа, что приведет к резко­му повышению давления в нем. Чтобы предотвратить это отрицательное явление, устанавливаются предохранительные клапаны или разрывные мембраны, которые осуществляют выпуск за пределы машинного отделе­ния. Кроме того, машинное отделение должно иметь хорошую вентиля­цию, а в верхнёй части двигателя устанавливают вытяжные зонты с газо­анализатором. Постоянный контроль процентного содержания газа осу­ществляется также в машинном отделении, в вентиляционном канале и по необходимости в других местах с подачей сигнала при концентрации газа 30% от нижнего взрывного предела.
Для открытия газовой форсунки устанавливается отдельный насос подачи масла на управление. Он представляет стандартный насос впрыс­ка топлива, плунжер которого выполнен с косыми кромками и приводом от распределительного вала. Чтобы обеспечить уплотнение между газом, топливом и маслом на управление в объединенной форсунке и смазы­вать движущиеся части, имеется отдельная система уплотнительного масла. Эта система 11 (см. рис. 2.76) имеет отдельный привод и запуска­ется до пуска двигателя. Рабочее давление составляет приблизительно 30 МПа, необходимая производительность для двигателя мощностью 20000 кВт около 10 л/ч. В качестве уплотнительной жидкости можно ис­пользовать топливо или смазочное масло. В последнем случае имеется отдельный подвод 14 масла к насосам 11.

Газожидкостные двигатели на базе дизелей серии RTA фирмы Sulzer предназначены для новой се­рии транспортных судов-метаново- зов, перевозящих сжиженный при­родный газ (СПГ). Разработанные фирмой Sulzer Brothers Ltd. совмест­но с японскими лицензиатами газо­жидкостные двигатели обеспечивают номинальную мощность, равную мощности дизеля серии RTA, без сни­жения т|е путем подачи в цилиндр га­за под высоким давлением и впрыска минимального количества запально­го жидкого топлива при свободном регулировании соотношения двух видов топ-лива. Предусмотрена воз­можность полного перевода двигате­ля с газа на жидкое топливо.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиОсновное внимание при проек­тировании современных газожидко­стных дизелей уделяется вопросам безопасности и надежности. Фирма Sulzer руководствовалась также сле- 3-распределительная коробка и клапан дующими принципами: 1) макси- отключения подачи газа в цилиндры; мальное использование унифициро-

  1. ~ газотопливная форсунка; ванных деталей; 2) минимум моди-
  2. - трубопровод отвода газа; фикации серийного дизеля без сни-
  3. - защитная труба                        жения надежности при проведении

необходимых модификаций; 3) по­вышение надежности путем исключения всех возможных утечек газа.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиГлавные газожидкостные дизели предназначены для метановоза, вме­щающего 125000 НМ3 ПГ. Не­смотря на наличие мощной тепловой изоляции танков с СПГ имеет место приток тепло­ты, вызывающий испарение части СПГ. Количество испа­рившегося газа достигает 1% в сутки от перевозимого количе­ства. Схема газовой топливной системы приведена на рис.
2.78, где 1 - грузовой танк с СП Г, 2 - компрессор для сжатия испарившегося газа, 3 _ по­
следовательно подключенный поршневой компрессор, осуществляющий сжатие ПГ до давления 20_25 МПа, 4 ~ установка для сжижения излишне­го (не используемого дизелем) газа, сливаемого в грузовой танк, 5 - подо­греватель, 6 - вспомогательный парогенератор, 7 - главный газожидкост­ный дизель, 8 _ система регулирования дизеля, 9 - блок управления по­ступлением ПГ.
После компрессора газ охлаждается до 40-50°С и по газопроводам с двойными стенками направляется к форсункам каждого цилиндра дизе­ля. На один цилиндр предусмотрены две газовые форсунки и две для впрыска жидкого запального топлива. В течение короткого периода подъема иглы форсунки в КС поступает точно отмеренная доза ПГ в кон­це процесса сжатия.
Конструктивные меры безопасности предусматривали установку сис­темы газопроводов ВД с двойными стенками для подачи газа от компрес­сора к газожидкостному дизелю, затем газ поступает в форсунки На рис. 2.79 показана схема системы обеспечения безопасной эксплуатации, где

  1. Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели- быстродействующие отсечные клапаны каждого цилиндра, 2 - газо вые датчики, 3 _ секционные предохранительные клапаны, 4 - газовый компрессор ВД, 5 - теплообменник ох­лаждения газа, 6 - буферный объем,
  2. - пламегаситель,
  3. - отсасывающий насос, 9 _ вентиля­ционный воздухо­провод, 10 - впуск­ной трубопровод,
  4. - наружная труба,
  5. - газопровод ВД,
  6. - главный газо­вый клапан,14 - га­зожидкостный ди­зель серии RTA.

В кольцевом пространстве, образованном двухстеночным трубопро водом, циркулирует воздух, поступающий из вентиляционного воздухо­провода сдавлением ниже атмосферного. Затем воздух поступает в газо­вый детектор для контроля наличия СН4, после чего через предохрани­тельную вентиляционную систему выбрасывается в атмосферу.

В данной системе предусматривается очистка газопровода ВД инерт ным газом. Газопровод ВД по всей лине от газового компрессора до ди­зеля разделен на несколько секций, каждая длиной около 15м, между ко торыми установлены автоматически действующие

в обоих направлениях предохранительные клапаны, немедленно прекращающие подачу газа, как только его расход превысит некоторый уровень. Диаметр и толщина
стенки внешней предохранительной трубы выбраны такими, что все ко­личество газа при прорыве, находящееся в одной секции, может запол­нить кольцевое пространство при умеренном давлении. Секционные предохранительные клапаны двойного действия. Диск клапана помещен между двумя пружинами, характеристики которых выбраны так, что кла­пан остается открытым, когда поток газа не превышает заданного. Как только расход газа станет больше допустимого, клапан закрывается. Каж­дый клапан может быть установлен или демонтирован без нарушения секции газопровода ВД или предохранительной наружной трубы
На входе в распределительный газопровод установлен главный кла­пан, перекрывающий подачу газа в двигатель. Кроме того, в патрубках подачи газа в отдельные цилиндры помещены быстродействующие от­сечные клапаны, которые одновременно обеспечивают отвод оставшего­ся в патрубках газа через вентиляционный воздухопровод в атмосферу.
Главным элементом системы регулирования двухтопливного двига­теля является уравновешивающий рычаг, который распределяет цикло­вую подачу топлива между природным газом и дизельным топливом. Обычный регулятор скорости связан с осью качания этого рычага, а кон­цы его - с ТНВД и рейкой насоса, регулирующего подачу газа. Кроме то­го, имеется пневматический сервомотор, связанный через пружинную муфту с регулирующим насосом подачи газа. Управление сервомотором осуществляется через электронный блок, который получает сигналы от индикатора нагрузки двигателя и двух устанавливаемых вручную рыча­гов (один - для выбора требуемого режима работы, второй - для выбо­ра соотношения, природный газ - дизельное топливо).
Четыре отверстия под форсунки остаются неизменными, только в два из них ставят заглушки при работе на двух топливах. Дополнительно сверлят два отверстия под газовые форсунки, каждое под углом 90° к воз­душному пусковому клапану.
Игла газовой форсунки уплотняется в корпусе дизельным маслом для того, чтобы газ не попал в систему регулирования. Второе масляное уп­лотнение применяется в сопряжении форсунка-стакан. Нижняя часть га­зовой форсунки охлаждается водой. Подъем иглы форсунки регистриру­ется датчиком, поэтому неисправная форсунка легко определяется.
Для регулирования подачи газа используется стандартный топлив­ный насос высокого давления от дизеля ZA40. Плунжер и гильза слегка модернизируются.
Преимуществами двухтопливных двигателей с подачей газа под вы­соким давлением в цилиндры являются высокий эффективный КПД, ко­торый равен КПД дизеля, увеличенные сроки службы масла и выхлопных клапанов.
Безопасность работы - главное требование к любому двигателю, ра­ботающему на газе, поэтому фирмой были разработаны дополнительные устройства для снижения времени определения места возникшей неис­правности и уменьшения возможности утечки газа.

Топливные системы газожидкостных средне- и высокооборотных дизелей
Применение природного газа для средне- и высокооборотных дизе­лей большой мощности ставит ряд проблем, наиболее удачное решение которых достигается при осуществлении газожидкостного процесса, от личающегося тем, что воспламенение бедной газовоздушной смеси осу ществляется в результате сгорания небольшого количества впрыскивае мого жидкого запального топлива при относительно высоких степенях сжатия.
Работа по исследованию такого процесса проводилась фирмой Pielstick на стационарном дизеле марки РС2 400 с D = 400 мм и S = 460 мм, развивающем в цилиндре Ne = 365 кВт при п - 500^520 1/мин и Ре = 15 бар. Газ подводят через специальный клапан непосредственно в цилиндр после закрытия выпускного клапана. Регулирование количества газа, поступающего в цилиндр, производят изменением продолжитель­ности открытия этого клапана. Управление газовыми клапанами гидрав­лическое от небольших плунжерных насосов упрощенной конструкции. Масло, подаваемое насосами, воздействует на поршень, жестко связан ный с клапаном.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиПродолжительность открытия клапана регулируют поворотом плун жера насоса, связанного с регулирующей зубчатой рейкой. Основной топ­ливный насос дизеля используется для подачи жидкого запального топлива.
На рис. 2.80 показана кинематическая схема управления топливным и масля­ным насосами от общего регулятора.
Кинематическая схема предусмат­ривает легкий переход от одной систе­мы питания (газ + запальное жидкое топливо) к другой (только жидкое топ­ливо). Поворот крестовины вокруг оси переводит масляный насос на нулевую подачу и освобождает ограничитель регулирующей рейки насоса жидкого топлива
Использование обычного для ди зеля топливного насоса для подачи за­пального топлива сопровождается увеличением неравномерности рас­пределения топлива по цилиндрам, так как при впрыске им запального топлива насос работает при очень ма­лых подачах, которые меньше, чем по­
дача топлива при работе дизеля на холостом ходу. При этом резко ухуд­шаются дальнобойность и распыление топлива. Для компенсации ухуд­шения распыления увеличивают интенсивность вихреобразования в ци­линдре, это достигают созданием на внутренней поверхности головки ци­линдра ковшеобразных углублений вокруг седла выпускного клапана.
Это мероприятие сокращает вдвое колебания Р2 и улучшает эконо­мичность.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиВ газожидкостном двига­теле состав газовоздушной смеси должен поддержи­ваться в пределах, не допус­кающих самовоспламенения и детонацию. В двигателях с наддувом регулирование со­става смеси осуществляют перепуском части нагнетае­мого воздуха. Контролирую­щим параметром является температура ОГ. Схема, под­держивающая постоянство состава смеси, представлена на рис. 2.81.
В представленной схеме перепуск воздуха осуществ­ляется на вход в компрессор.
Этот способ при работе дви­гателя с малой нагрузкой, когда количество перепуска­емого воздуха максималь­ное, повышает температуру на всасывание в двигатель и облегчает воспламенение.
Перепуск воздуха регулиру­ется дроссельной заслонкой 12. Термопара 14, фиксирую­щая температуру ОГ, дает им­пульс через распределитель

  1. на реле 8 и воздействует на положение дроссельной за­слонки 12 перепуска воздуха.

Так как перепад температуры газа в турбине зависит от ее нагрузки и, следовательно, от нагрузки двигателя, то


Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



стигается созданием разрежения в картере до 50 мм вод. ст. Сравнитель­ные экономические характеристики двигателя 12РС2 с е = 10,7 при 5141/мин в ккал/кВт/ч; при работе только на жидком топливе (пунктир­ные кривые) и на газе с впрыском запального жидкого топлива (сплош­ные кривые) приведены на рис. 2.82. При работе на газе удельный расход тепла в пределах от 75 до 100% нагрузки не выше 2170 ккал/кВт, что соот­ветствует КПД около 40%.
При работе дизеля только на жидком топливе де выше обычного на 4~5 г/(кВт ч) вследствие приспособления конструкции двигателя для ра­боты на газе. За время 20000-часовых испытаний двигатель работал при цилиндровой Ne - 370 кВт в течение 500 ч. Состояние деталей, осмотрен­ных при разборке, - хорошее, удельный расход масла 0,7~1,1 г/(кВт-ч).
При работе на газе период между техосмотрами может быть увели­чен по сравнению с работой на жидком топливе с 6000 до 8000 ч. Износ деталей значительно уменьшается.
На всех нагрузках ОГ двигателя, работающего на газе, бездымные. Содержание СО в ОГ двигателя, работающего по газожидкостному про­цессу, несколько выше, чем у дизеля (4-7 г/кВт), однако значительно ни­же, чем у двигателя с искровым зажиганием. Содержание N0 и несгорев­ших СП значительно ниже предельно допустимых значений. Уровень шу­ма при работе на газе ниже на 3 дБ по сравнению с дизелем во всем диа пазоне частот.
Фирма MAN перевела работу четырехтактного двигателя L52/55ADG на газообразное топливо. При работе на газообразном топливе (при ме­тановом числе 100) дизель развивает цилиндровую мощность 625 кВт, а нр дизельном топливе цилиндровая мощность его составляет 685 кВт.
Эффективная и устойчивая работа двигателей гарантируется при лю­бой дозе дизельного топлива от 8 до 100%. Двигатель имеет открытую ка­меру сгорания с непосредственным впрыском топлива.
Такие четырехтактные тронковые дизели (табл. 2.16) могут быть ис­пользованы для привода электрогенераторов, насосов, компрессоров. Возможно использование и в качестве главного судового двигателя на танкерах для перевозки жидкого метана и других видов газообразного топлива.
Дизели имеют по два на цилиндр впускных и выпускных клапана, од­ной газовой форсунке, а также по одной для впрыска топлива. Охлажде­ние наддувочного воздуха дизеля регулируется в зависимости от нагруз ки. Каждый цилиндр снабжен топливоподкачивающим насосом.
В табл. 2.17 приводятся балансы расхода энергии двигателя при рабо те на газообразном и жидком топливе. В балансе расхода энергии при ра­боте на газообразном топливе учтена теплотворная способность жидкого запального топлива.

Конструкционной особенностью таких двигателей является и то

что газ и воздух подаются в цилиндры через разные клапаны. При этом впуск-


Таблица 2.16 Техническая характеристика дизеля LS2/SSADG при работе на газообразном топливе
Частота вращения, мин

максимальная

 

450

номинальная

 

428

Давление, бар:

 

 

среднее эффективное

 

15

наддува

 

2,2

газа

 

3

воспламенения

 

120

Скорость поршня, м/с

 

7,85

Объем цилиндра, дм3

 

117

Степень сжатия

 

10,5

Диаметр поршня, мм

 

520

Ход поршня, мм

 

550

Цилиндровая мощность, кВт

 

625

Вид топлива

 

Природный газ

Теплотворная способность газа, кДж/м3

 

36500

Метановое число

 

100

Расход энергии при полной нагрузке, кДж/кВт ч

 

 

газ

 

8123

жидкое запальное топливо

 

677

Количество отработанных газов, кг/кВт ч

 

7,2

Температура отработанных газов за дизелем, °С

 

410

 

 

Таблица 2 17

Тепловой баланс двигателя

 

Расход энергии топлива, %

Работа на

Работа на

 

дизельном

газообразном •

 

топливе

топливе

Полезная работа

42

41

Потери с водой охлаждения

7.6

67

Потери при охлаждении

 

 

наддувочного воздуха

7,8

6,8

Потери с Отработанными газами:

 

 

при работе на жидком топливе

 

 

и температуре отработанны

 

 

газов 180°С

26,6

-

при работе на газе и температуре

 

 

отработанны газов 12СГС

-

28,2

Суммарный расход

88,8

87,5

Другие потери энергии

11.2

12,5

ные клапаны снабжены устройствами, обеспечивающими вращательное движение горючей смеси в цилиндрах и наиболее полное сгорание ее.
Газовый клапан установлен непосредственно на камере сгорания и приводится в действие через собственный кулачковый привод. При этом моменты открытия клапанов регулируются таким образом, что газовый клапан открывается лишь тогда, когда закрыт выпускной клапан. Благо­даря этому предотвращается потеря газа.
Каждый цилиндр снабжен газорегулирующим органом, который в зависимости от нагрузки приводится в действие с учетом частоты враще­ния коленчатого вала.
Давление газа регулируется таким образом, чтобы оно всегда было выше давления наддува. Чтобы при всех нагрузочных режимах, а также в условиях окружающей среды создать оптимальные условия воспламене­ния, поддерживается постоянное давление всасываемого воздуха перед турбонагнетателем и температура наддувочного воздуха на входе в ци­линдры.
При создании двигателей степень сжатия выбиралась с учетом физи­ческих и других характеристик используемого газа, при этом имелась в виду необходимость обеспечения условий для экономичной и надежной работы двигателей и на дизельном топливе. При пуске двигателя важно впрыск жидкого топлива производить в определенном количестве и при положении поршня, позволяющем получить наиболее полное сгорание. Поэтому при создании двигателя особенно тщательно разрабатывалась топливная аппаратура, определялись оптимальные параметры плунжер­ных пар, топливных напорных трактов и форсунок. Топливная аппаратура тщательно регулируется до начала эксплуатации на каждом двигателе с учетом обеспечения оптимального сгорания жидкого и газообразного топлива. Конструкцией двигателей предусмотрена и работа на тяжелых сортах жидкого топлива.
Ряд английских дизелестроительных фирм уже на протяжении многих лет ведет исследования по переводу работы средне- и высокооборотных дизелей по газожидкостному циклу. Газожидкостные двигатели (ГД) выпу­скаются без наддува и с наддувом На основе опыта их эксплуатации в кон­струкцию ГД был внесен ряд усовершенствований. Мощность ГД была по­вышена примерно до той же величины, что и у дизелей, на базе которых эти двигатели создавались. У ГД без наддува Ре = 0,59-0,63 МПа, а с наддувом

  1. 92^0,99 МПа. Удельный расход тепла в пределах 2180-2310 ккал/кВт. Доля расхода жидкого топлива не превышает 3,5-7,5% расхода топлива при работе только на жидком топливе при полной нагрузке.

В ГД весьма эффективно используются в качестве топлива газы, об­разующиеся при переработке канализационных отходов. Однако потреб­ность в ГД для этой цели невелика. Открытие новых месторождений при­родных газов значительно расширило область применения ГД. В Англии ГД изготовляет ряд фирм.


Фирма Allen на базе дизелей серии S 37 выпускает ГД с D = 325 мм и Б= 370 мм. Находится в производстве также ГД серии S 12 с D = 241 мм. Двигатели этих двух серий охватывают диапазон мощностей 130-2300 кВт. При работе с наддувом Ре = 0,97 МПа.
Фирма Mirrlees Blackstone выпускает ГД серии К с D = 381 мм и S = 457 мм. Диапазон мощностей, охватываемый двигателями этой серии, от 800 кВт при 500 1/мин (i = 3) до 4900 кВт при 514 1/мин (V-образный двигатель, i = 18). На режиме длительной полной нагрузки двигатель имеет Ре = 1,26 МПа. Ограниченные пределы форсирования выбраны для предотвращения возникновения детонации при высоких термических на грузках.
Другая серия ГД этой фирмы охватывает диапазон мощностей от 130 кВт (двигатель без наддува, i = 4) до 1060 кВт (двигатель с турбонад дувом, i - 16, Р= 0,80 МПа).
Фирмы English Electric и Ruston выпускают на базе дизелей с D = 254 мм ГД серии RK 3 CG с диапазоном мощностей 590-2300 кВт. При работе на природном газе доля запального жидкого топлива около 5,5%. На режи­ме длительной полной мощности двигатели имеют Ре = 1,29 МПа в диа­пазоне 600-900 мин"1. На базе дизелей АТ строятся ГД серии ATG с D = 324 мм и диапазоном мощностей от 990 до 2960 кВт при работе на природном газе с Ре = 1,15 МПа.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиОсновная задача, которая должна быть решена при создании ГД, - это соответствующая организация подвода газа. Возможно два решения, подвод газа непосредственно в ци­линдр или в поток воздуха перед впу­скным клапаном. Первый способ имеет преимущества по организации рабоче­го процесса; можно осуществить про­дувку КС во время перекрытия впуск­ного и выпускного клапанов без поте­ри газа, что исключает возможность образования взрывчатой смеси во впу­скном коллекторе Недостатком этого способа является трудность размеще­ния газоподводящего клапана в голо­вке цилиндра. Преимущество второго способа подвода газа состоит в том, что его можно осуществить на обыч­ном дизеле с добавлением к нему сме­сительного устройства. Первый способ подвода газа применен на ГД серии S 37 фирмы Allen и серии ATG фирмы Ruston. ГД фирмы English Electric и фирмы Mirrlees имеют подвод газа во


Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели

Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиРис. 2.84. Система впуска газовоздушной                                2.85. Новая система подвода газа и
смеси у ГД с наддувом: 7 - газ; 2 - воздух                                                       воздуха у ГД
впускной патрубок. В последнее время фирма Allen разработала ГД серии
S 12 с двухклапанной головкой и подводом газа во впускной патрубок.
Первоначальный вариант системы подвода газа во впускной патру­бок у двигателей серии RC 3 CG фирмы English Electric показан на рис. 2.83 (без наддува) и на рис. 2.84 (с наддувом).
В дальнейшем эта система была усовершенствована и в головку ци­линдра был встроен клапан, через который поступал газ (рис. 2.85). Пре­имущество нового способа подвода газа заключается в том, что он унифи­цирован для двигателей без наддува и с наддувом. Кроме того, в новой конструкции газ подводится в непосредственной близости к впускному клапану.
Клапан, регулирующий количество подводимого газа, может откры­ваться и закрываться с помощью механического или гидравлического привода. Большинство фирм, кроме Allen и Blackstone, применяют гидро­привод, в котором используется насос золотникового типа с отсечной кромкой, а в качестве рабочей жидкости - дизельное топливо. На рейку, регулирующую подачу жидкости этим насосом, можно воздействовать так же, как регулятор действует на рейку обычного топливного насоса.
В отличие от газовых двигателей с электрическим зажиганием у ГД количество поступающего в цилиндр воздуха обычно не регулируют. В то же время такое регулирование дает возможность получать оптимальный коэффициент избытка воздуха, при котором достигается наибольший КПД и требуется наименьший расход жидкого топлива. Существует не­сколько систем регулирования количества поступающего воздуха в виде
заслонок с фиксированным положением или заслонок, находящихся под воздействием регулятора. Наиболее сложную систему регулирова­ния подачи воздуха имеют двигатели с наддувом серии КР фирмы Mirrlees. У них регулирование коэффициента избытка воздуха осуществ ляется перепуском части воздуха через специальный клапан в подводя­щий патрубок ТК.
Для максимального снижения расхода жидкого запального топлива фирма Mirrlees внесла изменения в конструкцию форсунок
Угол опережения впрыска жидкого топлива у ГД по сравнению с ди зелями больше. Влияние опережения впрыска на тепловую экономич­ность показано на рис. 2.86.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиПотребители требуют обеспечения возможности быстрого переключения дви­гателя с одного топлива на другое. Так как в основном опасения вызывает пониже­ние давления газа, предлага­ется использовать для авто­матического переключения на дизельное топливо датчик давления газа.
В качестве примера опи­сана схема системы управле­ния ГД серии КР фирмы Mirrlees Blackstone (рис. 2.87).
Особенность системы уп­равления заключается в том, что к датчику обычного регу­лятора добавляют предохра­нительное устройство. Вводят два исполнительных органа с электрическим управлением: один для газа, другой для жидкого топлива. Сигнал от чувствительного элемента подают на потен­циометр. Последний распределяет сигнал между двумя исполнительны­ми органами в соотношении, зависящем от его положения. В одном из крайних положений в двигатель поступают газ и дозированное количест­во запального жидкого топлива. Во время процесса переключения на другой вид топлива в двигатель поступают частично газ и частично жид­кое топливо. При втором крайнем положении поступление газа отключа­ют, и двигатель работает только на жидком топливе. Переключающее ус­тройство в случае прекращения подачи газа вводится в действие с помо­щью чувствительного элемента - измерителя давления газа.


Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели

Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели
Рис. 2.87. Схема системы управления ГД: 1 - подвод в систему управления воздуха с давлением 0,7МПа из системы пневматического пуска; 2 ~ цепь тока,
3 - воздухопроводы; 4 - сигнал пневмосистемы; 5 - сигнал системы подвода газа;
6 ~ подвод газа из магистрали сдавлением 2,5МПа

Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиВ системе управления, применяемой для высоко­форсированных ГД фирмы Ruston Paxman, переключаю­щее устройство (рис. 2.88) также представляет собой механизм, управляемый чув­ствительным элементом, на­ходящимся под действием давления газа.
Чувствительный элемент регулятора перемещает ось вращения 2 рычага, изменяя положение тяг 9 и 12, регули рующих подачу газа и жидко­го топлива. Гидравлический серводвигатель 3, устанавли­вая тягу 12 управления пода­чей жидкого топлива в край­нее положение, переключает ГД на газ с впрыском мини­
мального количества запального жидкого топлива. После этого регулятор изменяет только подачу газа в соответствии с нагрузкой. Упор на тяге 9 ре­гулирования подачи газа ограничивает максимальную нагрузку. При пре­кращении подачи газа серводвигатель и пружина 11 перемещают рычаг пе­реключения в другое крайнее положение, и регулятор воздействует толь ко на тягу 12, регулирующую подачу жидкого топлива.
Аналогичную по принципу действия схему переключающего устрой­ства имеют двигатели серии RK 3 CG фирмы English Electric.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиНа рис 2 89 показана схема переключающего устройства фирмы Blackstone.
В переключаю­щем устройстве фир­мы Allen имеется не­сколько серводвига­телей с общей систе­мой управления. Пе­реключение с одного вида топлива на дру­гой осуществляют главным клапаном системы управления (не показан на рис.
2.89) путем поворота рычага вручную.
Обращается вни­мание на то, что ГД имеют сравнительно
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателинизкую экономичность при ра­боте на частичных нагрузках (рис. 2.90), если сравнивать по расходу тепла, вводимому с топливом, то следует иметь в виду различную стоимость этих топлив.
Отмечается также, что ди­зели обычно регулируются так, чтобы минимальный ge соответствовал 75% нагрузки, тогда как ГД имеют наимень­ший удельный расход тепла при полной нагрузке. Кроме того, у двигателей, работаю­щих на газе, с понижением на­грузки уменьшается скорость


распространения пламени в цилиндре, что вызывает увеличение удель­ного расхода топлива.
Фирмой Wartsila Diesel разработана серия газожидкостных дизелей Wartsila Vasa GD, которые могут работать на различных топливах: от низ­косортных тяжелых до высококачественных дистиллятных, а также на уг­леводородных газах. Иногда такого вида дизели называют многотоплив­ными. Дизели серии Vasa GD созданы на базе дизелей Wartsila Vasa 22 и 32. Перевод их на газ не столь сложен, как перевод на газ ДВС с искровым зажиганием.
В качестве основного газообразного топлива может служить природ­ный газ, практически состоящий из метана с незначительным содержани­ем других углеводородов в газообразной фазе. Газ поступает в дизель под большим давлением, достигающим 25 МПа. Для этого природный газ предварительно подвергается сжатию до требуемого давления. Газ под высоким давлением поступает в цилиндр к концу процесса сжатия воздушного заряда. Надежность воспламенения газовоздушной смеси в КС обеспечивается впрыском в цилиндр небольшой дозы запального жидкого топлива с некоторым опережением относительно момента нача­ла поступления в цилиндр газа. В качестве запального топлива могут быть использованы различные сорта жидких топлив.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиКомпрессор высокого давления, предназначенный для сжатия газа, должен быть расположен вне машинного отделения судна. На рис. 2.91 приведена схема системы подачи газа, где 1 - компрессорная установка для повышения давления газа; 2 _ главный дизель; 3 - газовый фильтр или очистительное устройство другого типа; 4 - компрессор ВД; 5 - ба­зовый балЛон-аккумулятор; 6 - главный клапан; 7 - объединенная в один узел форсунка для впрыска запального топлива и клапан для пода­чи газа; 8 - быстродействующий запорный клапан. Все газопроводы в пределах дизеля выполнены с двойными стенками путем помещения га­зопровода в предохранительную трубку. Пространство между этими двумя трубками постоянно вентилируется пропускаемым через них воз­духом, подаваемым отдельным воздушным компрессором НД. Выходя­щий воздух кон­тролируется специ­альным детекто­ром на отсутствие в нем газа и направ­ляется в резервуар, расположенный вне машинного от­деления. Наличие в воздухе признаков горючего газа фик­сируется упомяну­тым детектором,
который подает сигнал на клапан, отключающий поступление газа ВД. Предусмотрена разветвленная система обеспечения безопасности рабо­ты судна с использованием в главном дизеле газа. Эта система управля­ется бортовой ЭВМ. В газожидкостном дизеле, кроме обычного предо­хранительного клапана, применено дополнительное предохранитель­ное устройство. Кроме двухстеночных газопроводов предусмотрен дей­ствующий автоматически главный газовый клапан и газовые клапаны на каждом цилиндре, которые отключают подачу газа в следующих обстоя­тельствах: чрезмерный расход газа в цилиндрах, расстройство распре­деления нагрузки между цилиндрами, появление утечек газа в предо­хранительном воздушном кольцевом пространстве двухтрубного газо­провода, при внезапном снижении мощности дизеля, при недостаточ­ном давлении газа в системе ВД.
На дизеле применен электронный регулятор. Работа дизеля на опти­мальном режиме на газе или на жидком топливе достигается путем нажа­тия одной кнопки. Перевод дизеля с газообразного топлива на работу на жидком топливе происходит автоматически в случае нарушений в систе­ме газоснабжения.
Проведены многочасовые испытания переведенного на газ средне­оборотного дизеля Vasa марки 4R22. Дизель работал при п = 1000 мин 1 и нагрузке, изменяющейся в пределах 20 - 110%. Развиваемая Ne = 162 кВт, Ре =2,12 МПа. Первоначально количество впрыскиваемого запального топлива составляло 10%. В дальнейшем устойчивая работа дизеля была обеспечена при снижении доли запального жидкого топлива до 5% (от цикловой подачи при работе дизеля только на дизельном топливе на полной мощности). Потери мощности при переводе на газообразное топ­ливо не зафиксировано.
Проблемы перевода судовых дизелей на газообразное топливо и мероприятия по обеспечению безопасности
Целесообразность использования природного газа в качестве мотор­ного топлива в районах, связанных с добычей и транспортировкой газа, никогда не подвергалась сомнению. Современный этап развития эконо­мики лишь внес ряд корректив в эту проблему. Что же касается дизелей, составляющих энергетическую основу водного транспорта, то их перевод на газ тормозится рядом факторов.
Возникающие проблемы можно разделить на три, тесно связанные группы. Первая - вопросы хранения газа. В настоящее время хранение при­родного газа на судне проще всего осуществляется в сжатом виде. Баллоны из армированного пластика обеспечивают сравнительно хорошие показате­ли по удельному объему и массе системы хранения. Однако для двигателей высокой мощности, имеющих значительную длительность автономного плавания, перспективным является криогенный способ хранения. Первый вариант уже успешно проходит опытную эксплуатацию на судах СЗРП, по второму разработана техническая документация для судов типа «Метеор».
Вторая, чрезвычайно важная для судовых установок проблема - бе­зопасность эксплуатации. В этом отношении накоплен достаточно боль­шой мировой и отечественный опыт, показывающий, что токсическая опасность при использовании природного газа минимальна, а пожаро- и взрывобезопасность могут быть сведены к минимуму с помощью ряда конструктивных и организационных мер.
Наконец, третья группа вопросов связана непосредственно с работой моторной установки. К ним относятся организация рабочего процесса, топливоподача и регулирование.
При переводе на газовое топливо дизельного двигателя наиболее очевидным вариантом организации рабочего процесса является газоди­зельный. При этом можно сохранить неизменными основные параметры и регулировки базового двигателя, ограничившись созданием системы подачи газа в двигатель и изменением системы регулирования мощнос­ти. По такому принципу осуществлен, в частности, перевод на газ двига­телей ЗД6 теплохода «Нева-1», находящегося в опытной эксплуатации. При этом даже такая несложная схема обеспечивает снижение расходов на топливо почти вдвое при значительном улучшении показателей дым­ности и токсичности отработанны газов (снижение дымности в 5-10 раз, NOx - на 20%). Однако эти показатели значительно уступают тем, кото­рые достигаются в более совершенных газодизельных системах. В основе этого _ значительно более высокая, чем это минимально необходимо, величина запальной порции дизельного топлива.
Согласно литературным данным, современные газодизельные дви­гатели устойчиво работают при дозе топлива, соответствующей б~8% от номинального подвода теплоты. Специальные мероприятия (форкамер- ное воспламенение) позволяют снизить эту дозу до 3-5%. В последнем случае требуется, однако, существенная переделка двигателя. В упомяну­тых выше опытных двигателях эта величина составляет 15-20%, причем на малых нагрузках подача дизельного топлива должна повышаться.
Растянутое сгорание основного (газового) топлива приводит к ухуд­шению показателей экономичности и токсичности. Уменьшить продолжи­тельность распространения пламени в газодизеле можно, уменьшив дли­ну пробега фронта пламени за счет переноса источника воспламенения от центра камеры сгорания к ее периферии, для чего необходимо увеличить дальнобойность топливной струи. Однако топливная аппаратура дизелей, обычно используемая для подачи запальной порции, настраивается на но­минальный режим с таким расчетом, чтобы дальнобойность топливной струи соответствовала размеру камеры сгорания. С уменьшением подачи давление впрыскивания, а вместе с тем и дальнобойность струи, падает. Одновременно наблюдаются такие явления, как нестабильность подачи от цикла к циклу и неравномерность ее распределения по цилиндрам.
Таким образом, первоочередной задачей при организации газоди­зельного процесса является обеспечение эффективного впрыска при ма­лых подачах.
При применении газообразного топлива в судовых дизелях должны выполняться специальные требования к конструкции двигателя и топлив­ным системам, обеспечивающие длительную безопасную эксплуатацию.
Природный газ и, в частности, его основной компонент (СН4), явля­ется достаточно безопасным. Природный газ при нормальных условиях практически в два раза легче воздуха, поэтому при утечках он быстро ус тремляется вверх и рассеивается в воздушной среде. Да и скорость рас­пространения пламени в смеси, содержащей 10% метана, составляет все го 35 см/с, что меньше, чем у других видов топлива, и эта скорость уменьшается с приближением к верхнему или нижнему концентрацион­ным пределам воспламенения (ВКПВ и НКПВ соответственно), а темпера­тура воспламенения увеличивается. Показатели пожарной опасности различных топлив приведены в табл. 2.18.


Таблица 2.18 Показатели пожарной опасности углеводородных топлив

Топливо

Относит, плотность паров по воздуху

Область воспламе­нения, %,объемн.

Температура воспла­менения, °С

ГО , .
го s о_ I си си
го CD с;

Скорость горения, см/с

Коэффициент диф­фузии в воздухе, см/с

Скорость распростра­нения в воздухе см/с

Минимальн. энергия зажигания, кДж

^ Максимальное дав­ление взрыва, МПа

Водород

0,07

4-75

585

2050

278

2

2,5

0,02

 

Метан

0.55

5-15

537-600

1325

34-45

0,16-0,19

0,51

0,28-0,29

0,72

Пропан

1,52

2-9,5

450-465

990

43-52

0,1-0,11

0,34

0,25-0,3

0,82

Н-бутан

2,1

1,8-9,1

475-585

990

37-48

0,06-0,08

 

0,25

0,86

СНГ

1,8

2-93

365-450

900

40-50

О О С71
1
О

 

0,26

0,81

Бензин

4

0,7-8

230-480

750

37-43

0,05-0,06

0,17

0,24-0,3

0,9

Дизтоп - ливо

4

0,52

35-60

-

-

0,0481

-

-

-

Данные этой таблицы однозначно показывают, что природный газ, в частности, метан, обладает большой инерцией к случайному возгоранию Довольно высокий порог НКПВ, необходимый для образования го­рючей смеси, облегчает выявление утечек с помощью приборов-сигнали­заторов и представляет обслуживающему персоналу некоторое время для обнаружения и ликвидации опасной ситуации. Борьба с очагом вос­пламенения метана в замкнутом объеме также не вызывает больших трудностей, так как добавление в метановоздушную смесь 25% углекис­лого газа или 40% азота делают ее вообще неспособной гореть. Любые негорючие газообразные, жидкие и твердые мелкодиспергированные разбавители, попадая в распространяющийся фронт пламени, снижают температуру пламени, скорость его распространения и скорость протека­ния химической реакции окисления топлива. Поэтому для тушения при­родного газа рекомендуется применять инертные газы, мелкораспылен­ную воду и песок. Высокоэффективны также пламегасители из пористых материалов (шарики, сетки, рифленая лента и т.п.), которые снижают температуру фронта пламени ниже температуры воспламенения.
Внутри трубопроводов и газовой арматуры, работающих под давле­нием, в связи с довольно узкими концентрационными пределами вос­пламенения метановоздушных смесей, образование пожаровзрывоопас­ных смесей практически исключено. Однако при заполнении системы га зом возможно кратковременное существование смесей во взрывоопас­ных концентрациях. Опасность усугубляется наличием пленки смазочных масел. Поэтому в целях безопасности первоначальное заполнение систем газом следует производить после продувки системы инертным газом, на­пример, азотом.
В связи с тем, что в топливной системе газового двигателя два вида топлива: жидкое и газообразное, для безопасной и безаварийной рабо­ты газодизеля необходимо сохранить все виды защит дизеля и дополнить специфическими защитами:

  1. Отключение подачи газа при падении давления жидкого топлива в трубопроводе низкого давления для исключения пропуска вспышек в ци­линдрах из-за отсутствия запального топлива;
  2. По давлению газообразного топлива, обеспечивающего отключе­ние его при недопустимых отклонениях давления;
  3. На крышках люков картера должны быть установлены предохра­нительные клапаны с пламегасящими сетками;
  4. Пуск, остановка и работа при нагрузке менее 15% Реном выполняет­ся только на жидком топливе;
  5. В машинном отделении необходима система контроля наличия метана в зонах возможных утечек и скопления газа с предупредительной сигнализацией при концентрации 20% НКПВ и аварийной (исполнитель­ной) сигнализацией при 50~70% НКПВ; - газовые трубопроводы двига­теля и система выпуска отработанных газов должны иметь возможность продувки инертным газом или воздухом; отсечные клапаны на входе га­за в машинное отделение должны быть дублированы;
  6. С целью исключения попадания газа в машинное отделение при возможных утечках в зоне расположения газовых трубопроводов газоди­зеля рекомендуется установка кожуха с организацией отсоса воздуха или организация интенсивной вентиляции с отсечкой подачи газа при ее от­ключении.

Вышеперечисленные мероприятия отвечают основным требованиям для длительной безаварийной работы судовых газовых дизелей, свое­временного обнаружения утечек газа и устранения опасных последствий от них.

 

 


 

 
 
         
 

 

 

Наши контакты

адрес:

Саратовская обл., г.Энгельс, Промзона

телефоны:

8(8453)77-13-68

89020483620

e-mail:

filavto@yandex.ru

 
Яндекс.Метрика