Перед главным инженером четырехтактного вспомогательного агрегата мощностью 6000 кВт стоят две цифры. Бензин на его маршруте стоит примерно две трети мазута с очень низким содержанием серы, а головка блока цилиндров, которую он только что вывел из эксплуатации, имеет ресурс 12 000 часов работы с изношенными седлами выпускных клапанов. Эти две цифры объясняют почти все, что касается двухтопливного двигателя.
Краткий ответ прост. Двухтопливный двигатель — это дизельный двигатель, который может работать на газе в качестве основного топлива, используя небольшое количество жидкого топлива в качестве источника зажигания, и который может переключаться обратно на жидкое топливо, когда это необходимо оператору. Головка блока цилиндров имеет такое большое значение, потому что газовый режим меняет давление, выделение тепла и нагрузку на клапаны внутри камеры сгорания, а в головку попадают все три из них. Ниже описываются два маршрута сгорания, реальная стоимость пилотного топлива, падение степени замены с нагрузкой, а также детали деталей, которые определяют, выживет ли сменная головка в газовом режиме.
Чем отличается двухтопливный двигатель
Двухтопливный двигатель начинает свою жизнь как дизельный двигатель. Блок, коленчатый вал, шатуны и номинальная мощность остаются в том же классе, а двигатель сохраняет принцип воспламенения от сжатия, который в первую очередь сделал дизельный двигатель надежным. Что меняется, так это система подачи газа, конструкция камеры сгорания, управляющее программное обеспечение и, в большинстве четырехтактных модификаций, сама головка блока цилиндров.
В газовом режиме двигатель сжигает природный газ, а в некоторых установках — сжиженный нефтяной газ или метанол в качестве основного источника энергии. Небольшое количество дизельного или судового газойля впрыскивается в качестве пилотного топлива и обеспечивает энергию зажигания. Поскольку пилотное пламя зажигает газовый и воздушный заряд, а не наоборот, двигатель сохраняет тот же диапазон эффективности, что и дизельный двигатель, практически не производя при этом оксидов серы. Когда подача газа прерывается или когда судно маневрирует и оператору требуется мгновенная реакция, двигатель возвращается в дизельный режим в течение нескольких циклов сгорания.
Операторы выбирают двухтопливное топливо по трем практическим причинам. Во-первых, это соответствие требованиям: газовый режим снижает содержание оксидов азота примерно на 85 процентов, что соответствует ограничениям IMO Tier III без установки селективного каталитического восстановления. Во-вторых, это стоимость: на многих маршрутах разница в цене между сжиженным природным газом и мазутом с очень низким содержанием серы покрывает более высокие капитальные затраты на двигатель и бензобак в течение нескольких лет. Третий — опциональность: один и тот же двигатель может использовать любое топливо, которое рынок и правила считают самым дешевым в этом месяце.
Для больших двухтактных главных двигателей широко используется подход, впрыскивающий газ в конце такта сжатия под высоким давлением, что сохраняет первоначальный цикл сгорания дизельного топлива и позволяет избежать потери несгоревшего метана в выхлопные газы.
DONGFANG Головка блока цилиндров | Запасные части, совместимые с судовыми дизельными двигателями MAN Совместимые модели: L16/24, L23/30, L23/30H, L28/32A, S26MC, L31, L35MC, S35MC, L50MC-C I. Обзор продукта Головки цилиндров DONGFANG являются совместимыми сменными головками сторонних производителей. Посмотреть продукт → Компромисс лежит на стороне обслуживания. Двухтопливные двигатели требуют большего от верхних пределов: более точных фаз газораспределения и форсунок, более жестких допусков на уплотнительные поверхности и головки блока цилиндров, которая должна справляться с двумя различными схемами тепловыделения вместо одной.
Два маршрута сгорания, два набора нагрузок
Большинство дискуссий о двухтопливных двигателях сводятся к тому, какой цикл двигатель использует в газовом режиме, поскольку этот выбор определяет давление газа, количество вспомогательного топлива, уровень просачивания метана и нагрузки, которые достигают головки блока цилиндров.
| Параметр | Режим газа низкого давления | Режим газа высокого давления |
|---|---|---|
| Цикл сгорания | Отто, предварительно смешанный заряд | Дизель, диффузионное пламя |
| Давление подачи газа | Около 5-6 бар | Около 300–350 бар |
| Пункт приема газа | Такт впуска, смешанный с воздухом | Позднее сжатие, непосредственно в цилиндр |
| Доля пилотного топлива при полной нагрузке | Около 1 процента | Примерно от 3 до 5 процентов |
| Проскальзывание метана | Измеримо, выше при низкой нагрузке | Незначительный |
| Степень сжатия | Нижний, применяется предел детонации | Стандартный уровень дизельного топлива |
| Типичная обязанность | Четырехтактные вспомогательные и среднеоборотные главные двигатели | Большие двухтактные главные двигатели |
| Особенности головы для проверки | Газовпускные отверстия, закаленные седла, каналы охлаждения | Отверстие газового инжектора, посадка втулки, твердость пожарной палубы |
Ни один из маршрутов не является лучшим в абсолютном выражении. Маршрут низкого давления преобладает в четырехтактных вспомогательных и среднеоборотных двигателях, где газовая система проще и в машинном отделении для нее достаточно места. Маршрут высокого давления используется на больших двухтактных главных двигателях, где утечка метана недопустима и газовый компрессор уже является частью установки.
DONGFANG Головка блока цилиндров | Запасные части, совместимые с Wartsila Marine Diesel Ru Совместимые модели: R20, L20, R22, R25, R32 I. Обзор продукта Головки цилиндров DONGFANG — это высококачественные запасные части для вторичного рынка, независимо разработанные и производимые... Посмотреть продукт → Почему головка блока цилиндров несет большую нагрузку в газовом режиме
Газовый режим повышает пиковое давление в цилиндре и меняет форму кривой тепловыделения, поэтому пожарная палуба, седла клапанов и клетки клапанов подвергаются более тяжелому циклу, чем при работе с обычным дизельным двигателем. В модификациях с портовым впрыском головка также оснащена клапанами впуска газа, что означает дополнительные отверстия, дополнительные уплотнительные поверхности и второй путь для утечки. Кому нужна предыстория самой детали, может прочитать как устроена головка блока цилиндров и что делает каждая поверхность .
- Твердость седла клапана и угол седла, поскольку в газовом режиме выпускные клапаны нагреваются при частичной нагрузке.
- Клапанная клетка и направляющая подходят, поскольку изношенные направляющие приводят к смещению клапана и разрушению седла.
- Чистота охлаждающего прохода, потому что частично заблокированный проход превращается в треснувшую пожарную палубу.
- Отверстия клапанов впуска газа на модернизированных двигателях должны соответствовать спецификации комплекта для переоборудования.
Практическим следствием является то, что сменную головку для двухтопливного двигателя невозможно купить только по размеру цилиндра. Версия двигателя, номинальный режим работы на газе и комплект для переоборудования — все это меняет чертеж, которому должна соответствовать головка.
Доля пилотного топлива: сколько дизельного топлива все еще необходимо
Пилотное топливо — это часть счета за топливо, о которой забывают операторы, и это не фиксированная цифра. На диаграмме ниже показаны типичные доли пилотных проектов для пяти конфигураций.
Диаграмма показывает, какая часть общей энергии все еще должна поступать из жидкого топлива в пяти распространенных конфигурациях. Четырехтактному двигателю низкого давления при полной нагрузке требуется всего около одного процента вспомогательного топлива, поэтому операторы рассматривают газовый режим как почти полностью работающий на газе. Снизьте нагрузку того же двигателя до четверти нагрузки, и доля пилотного топлива вырастет примерно до восьми процентов, потому что смесь становится слишком бедной, чтобы надежно воспламениться без дополнительной энергии дизельного топлива. Двухтактные двигатели высокого давления работают примерно на три процента при полной нагрузке, а при модернизации дизельного топлива на газ — около пяти процентов, потому что их системы подачи газа и управления менее точны, чем у специально созданного двигателя. При малой нагрузке показатель модернизации может достигать пятнадцати процентов, чего достаточно, чтобы изменить расчет стоимости топлива для судна, длительное время маневрирующего в порту.
Скорость замены падает до того, как двигатель выйдет из строя
Скорость замещения — это доля жидкого топлива, которую фактически заменяет газ, и она не является постоянной во всем диапазоне нагрузок.
Красная кривая показывает специально созданный двухтопливный двигатель низкого давления, обеспечивающий замещение около 40 процентов при четверти нагрузки и примерно 95 процентов при полной нагрузке. Синяя кривая показывает дизельный двигатель, переведенный на работу на газе, мощность которого начинается примерно с 25 процентов при четверти нагрузки и возрастает примерно до 90 процентов при полной нагрузке. Разрыв между двумя кривыми наиболее широк при частичной загрузке, где паромы, портовые суда и морские вспомогательные суда проводят большую часть своего рабочего времени. Автопарк, который рассчитывает экономию по паспортным данным при полной нагрузке, будет переоценивать ее всякий раз, когда в рабочем цикле преобладает частичная нагрузка. Вот почему профиль нагрузки, а не мощность двигателя, должен определять выбор между заводским двухтопливным двигателем и модернизированным двигателем.
Как газовый режим влияет на выбросы
В газовом режиме снижается количество всех регулируемых загрязняющих веществ по сравнению с работой на жидком топливе, но не на такую же величину.
Содержание оксидов серы снижается примерно на 99 процентов, поскольку природный газ почти не содержит серы, что само по себе соответствует глобальному пределу в 0,50 процента и пределам в 0,10 процента в зонах контроля выбросов. Содержание твердых частиц снижается примерно на 95 процентов, а содержание оксидов азота - примерно на 85 процентов, что достаточно для достижения уровня III без каких-либо устройств доочистки. Углекислый газ снижается всего примерно на 22 процента, поскольку эта экономия достигается за счет соотношения водорода и углерода в топливе, а не за счет технологии сжигания. Диаграмма также показывает, почему газовый режим часто называют инструментом соблюдения требований, а не решением проблемы изменения климата: прирост оксидов азота и серы является большим и немедленным, в то время как прирост углерода является умеренным. Поскольку правила по снижению выбросов углекислого газа ужесточаются, работа на двух видах топлива помогает автопарку соблюдать требования, но сама по себе она не обеспечивает глубокой декарбонизации.
Специально созданный двухтопливный двигатель или его модификация
Оба варианта работают на бензине, но ведут себя по-разному, и приведенное ниже сравнение радаров оценивает их по шести критериям, которые операторы оценивают чаще всего.
Две формы оцениваются от нуля до ста по шести критериям, и чем крупнее форма, тем лучше. Специально созданный двигатель обеспечивает гибкость использования топлива, запас оксидов азота и преимущества в отношении углекислого газа, поскольку его камера сгорания, фазы газораспределения и карты управления с самого начала были разработаны для газа. Конверсия имеет более высокие оценки с точки зрения удобства модернизации, поскольку она сохраняет существующий двигатель в эксплуатации, а не заменяет его, и остается конкурентоспособной по экономии затрат на топливо. Самым слабым местом для обоих является срок службы верхних компонентов, поскольку в газовом режиме повышается пиковое давление и изменяется тепловыделение, поэтому седла клапанов, клетки клапанов и противопожарная часть головки блока цилиндров работают тяжелее, чем при работе на чистом дизеле. Переоборудование еще больше сужает этот запас, поэтому сменные головки для переоборудованных двигателей всегда следует сверять со спецификацией газового режима, а не с оригинальным чертежом дизельного двигателя.
Поиск головок цилиндров для двухтопливного парка автомобилей
Закупка двухтопливных двигателей в основном представляет собой проблему согласования. Одно и то же семейство двигателей может существовать в дизельных версиях, газовых версиях низкого давления и газовых версиях высокого давления, и головка блока цилиндров различается между ними небольшими, но важными параметрами: диаметром втулки форсунки, материалом седла клапана, отверстиями для впуска газа и расположением каналов охлаждения. Головка, подходящая для дизельной версии двигателя, может физически привинчиваться к газовой версии и все равно рано выйти из строя, поскольку материал и твердость седла никогда не были рассчитаны на более высокое пиковое давление.
Контрольный список перед заказом небольшой. Подтвердите модель двигателя и версию сборки, а не только диаметр цилиндра. Убедитесь, что двигатель работает в режиме газа низкого или высокого давления. Подтвердите, нужны ли головке отверстия для клапана впуска газа. Подтвердите угол седла клапана и требования к твердости. Затем подтвердите время выполнения заказа и состояние запасов, потому что судно, ожидающее наступления, — это судно, которое не приносит прибыли.
Компания Zhoushan Putuo Dongfang Machinery поставляет запасные части для замены головок блока цилиндров для судовых дизельных двигателей, включая семейства четырехтактных вспомогательных и среднеоборотных двигателей, которые используются в проектах по переработке газа, а также в эксплуатации обычных дизельных двигателей, в том числе 
DONGFANG Головка блока цилиндров | Запасные части, совместимые с Daihatsu Marine Diesel Ru Совместимые модели: DL-20, DL-22, DL-26, DL-28, DL-32, 5DK-20, 6DK-20, DK-28, DS-26, PS-26H (D), DC-17, DE-18. Посмотреть продукт →
Полный ассортимент, включая агрегаты для отечественных дизелей, представлен в каталоге. каталог запасных частей головки блока цилиндров , где на каждой странице указано семейство двигателей, с которым совместима головка.
Число, которое в конечном итоге решает, оправдает ли себя использование двухтопливного двигателя, — это не разброс топлива сам по себе, а максимальный интервал технического обслуживания, стоящий за ним. Двигатель, работающий на газе в течение 6000 часов в год, подвергает головку блока цилиндров большему количеству тепловых циклов, чем дизельный двигатель, работающий в том же режиме, и в этой арифметике головка является расходным материалом. Планирование замен в зависимости от версии двигателя, спецификации газового режима и профиля реальной нагрузки позволяет обеспечить соответствие и доступность парка двухтопливных двигателей, не превращая экономию топлива в сюрприз при обслуживании.
