Топливная аппаратура четырехтактных газодизельных двигателей с внешним смесеобразованием

Топливная аппаратура четырехтактных газодизельных двигателей с внешним смесеобразованием отличается наличием двух систем топливоподачи газового и жидкого топлива.

Система подачи газового топлива вместе с входящим воздухом практически не отличается от рассмотренной ранее системы питания газовых двигателей с искровым зажиганием. Учитывая, что газовые топлива обладают достаточно низкой способностью к самовоспламенению, для поджога газовоздушной смеси необходим внешний источник пламени. В газодизельных двигателях для этих целей используется впрыск небольшой порции жидкого топлива, называемой запальной или пилотной подачей (рис. 4.7).

Схема рабочего процесса четырехтактного газодизельного двигателя с внешним смесеобразованием

Существует два основных подхода к организации рабочего процесса газодизельного двигателя с внешним смесеобразованием:

  • подача запальной порции с помощью штатной топливной аппаратуры двигателя;
  • создание специальных топливных систем для впрыска запальной порции топлива.

В первом случае дизельный двигатель дооборудуется компонентами газовой системы без существенной переделки штатной системы питания. При работе на газе топливные насосы переводятся в режим минимально устойчивой подачи, а нагрузка двигателя регулируется путем изменения количества газа, поступающего в рабочий цилиндр (качественное регулирование) или газовоздушной смеси (количественное регулирование).

Несомненными преимуществами первого подхода являются: необходимость минимальной переделки самого двигателя и его топливной системы, возможность в любой момент перейти к работе на жидком топливе. Основным недостатком такого подхода является невозможность значительного снижения расхода жидкого топлива на организацию запального впрыска. Обычно в двигателях такого типа расход на запальную подачу составляет 15...20% от расхода на жидком топливе. Объясняется это невозможностью получения с помощью штатной топливной аппаратуры устойчивого впрыска на малых подачах. Штатная топливная аппаратура регулируется, как правило, на номинальный режим работы двигателя, при снижении цикловой порции равномерность подачи ухудшается. Кроме того, снижение цикловой подачи ведет к уменьшению давления впрыска (рис. 3.1), что ухудшает качество распыливания топлива и может привести к пропускам воспламенения. Простая перерегулировка топливной аппаратуры, как правило, не дает должного результата, так как это ведет к ухудшению работы двигателя на жидком топливе.

Второй подход сводится к дооборудованию двигателя дополнительной топливной системой, специально предназначенной для подачи запальной порции топлива. Примером такого подхода могут служить серии газовых двигателей фирм MAN, Wärtsilä и др., созданных на базе существующего модельного ряда дизельных двигателей.

В некоторых двигателях для компенсации потерь мощности при переходе на газовое топливо производители пошли на увеличение диаметра цилиндра, например, в двигателе Wärtsilä 50DF, созданного на базе дизеля 46-й серии (диаметр цилиндра увеличен с 460 до 500 мм), MAN 51/60, созданного на базе MAN 48/60 (диаметр цилиндра увеличен с 480 до 510 мм).

Все двигатели предназначены для постоянной эксплуатации на газе, но в качестве резервного могут использовать жидкое топливо типа MDO. Также допускается работа на тяжелых топливах типа HFO, однако это требует определенной подготовки и использования более дорогого циркуляционного масла.

При работе на жидком топливе двигатель использует штатную топливную систему. Для впрыска запальной порции фирма MAN устанавливает дополнительную форсунку, а фирма Wärtsilä — сдвоенную форсунку с двумя сопловыми наконечниками для впрыска основного и запального топлива.

Для приготовления газовоздушной смеси двигатели оснащаются системой подвода газа к смесителям, установленным на каждой крышке цилиндра. Таким образом, приготовление газовоздушной смеси осуществляется непосредственно на входе в цилиндр (рис. 4.8). Данное решение позволяет избежать опасности взрыва во впускном ресивере, который имеет достаточно большой объем и зачастую выполнен как полость в блок-картере. Поэтому взрыв газа в ресивере может привести к разрушению всего двигателя.

Крышка цилиндра газодизельного двигателя 50DF фирмы Wärtsilä с клапаном управления подачи газа

Для подачи запальной порции на современных газодизельных двигателях используется аккумуляторная система впрыска топлива, которая включается только при его работе на газе.

Как уже отмечалось ранее, аккумуляторные системы обеспечивают устойчивую подачу и качество распыливания топлива независимо от режима работы двигателя. А параметры всех элементов топливной системы специально оптимизированы, чтобы обеспечить устойчивую подачу малых цикловых порций. В результате количество запального топлива удалось снизить до 1...5%.

Схема системы топливоподачи газодизельных двигателей фирмы Wärtsilä с дополнительным контуром для впрыска запального топлива

Схема топливной системы резервного и запального топлива газодизельного двигателя Wärtsilä 50DF представлена на рисунке 4.9.

Для подачи топлива под высоким давлением в аккумуляторную систему впрыска используется топливный насос радиально осевого типа фирмы L’Orange GmbH (рис. 3.56), который приводится в действие электродвигателем. Управление электродвигателем, как и всеми остальными процессами, осуществляет электронный блок управления.

После насоса топливо поступает под давлением 90 МПа в общий для всех форсунок аккумулятор, откуда по отдельным трубопроводам подводится к форсункам с двумя сопловыми наконечниками.

Конструкция форсунки представлена на рисунке 4.10. Фактически в одном корпусе размещено две форсунки, одна из которых имеет конструкцию, традиционную для двигателей с объемной системой впрыска, а другая оборудована электромагнитным клапаном управления подачей, характерным для форсунок аккумуляторных систем. В корпусе распылителя также имеется два игольчатых клапана: маленький — для впрыска запального топлива и большой — для впрыска основного. Управление запальным впрыском осуществляется от электронного блока управления двигателем.

Форсунка газодизельного двигателя 50DF фирмы Wärtsilä со сдвоенным распылителем для резервного и запального жидкого топлива

Схема системы питания газодизельных двигателей фирмы Wärtsilä газом

Переход с газового на дизельное топливо также контролируется блоком управления. В случае необходимости перевести двигатель с газа на дизельное топливо без его остановки можно при полной нагрузке. Обратный переход можно осуществить при нагрузке до 80% от номинала.

Система подачи газа управляется электронным блоком. На газодизельных двигателях морского применения широкое использование находит схема газовой системы питания, представленная на рисунке 4.11.

Давление газа в топливной системе зависит от нагрузки на двигатель и теплотворной способности газа, однако во всех случаях оно не превышает 0,4 МПа. Чтобы предотвратить утечки газа в машинное отделение, все газовые магистрали помещены в защитные кожухи, внутреннее пространство которых постоянно вентилируется. Для предотвращения механических повреждений клапанов управления подачей с главной газовой магистралью они соединяются с помощью герметичных сильфонов. На выходе из вентиляционной системы установлены пламяотсекатели и датчики содержания метана в вентиляционных газах. Если в последних обнаруживается наличие метана, система автоматической защиты включает сигнализацию, а если концентрация достигает 60% от нижнего предела воспламеняемости газовоздушной смеси, происходит аварийная остановка двигателя.

При повреждениях в газовой системе двигатель автоматически переводится на жидкое топливо, а газ вытесняется с помощью азота, подаваемого из системы инертного газа. Остатки газового топлива удаляются через клапан аварийного сброса в специальное сжигающее устройство.

Во избежание попадания газового топлива в картерное пространство через неплотности поршневых колец, пуск двигателей производится только на жидком топливе. При маневрировании судна двигатель также необходимо перевести на жидкое топливо. Картерные клапаны должны быть отрегулированы с учетом возможности взрыва в картере газовоздушной смеси, образовавшейся в результате просачивания газа через поршневые кольца. Система вентиляции картера должна обеспечивать эффективный отвод картерных газов. В обязательном порядке она оснащается датчиком наличия метана и датчиком масляного тумана. На большинстве газодизельных двигателей в качестве отдельной опции предусмотрена установка датчиков нагрева подшипников коленчатого вала и системы вентиляции картера инертными газами.

Выпускной тракт газового двигателя не должен соединяться с выпускными трактами других двигателей.

Управление двигателем осуществляется путем дозирования топлива с помощью электроуправляемых газовых клапанов, установленных на входе в каждый цилиндр двигателя (рис. 4.12).

Клапан дозирования подачи газа в закрытом (а) и открытом (б) состоянии

Клапанный узел состоит из корпуса, в котором размещен клапан, имеющий форму плоской цилиндрической пластины, и седла с системой осевых отверстий для прохода газового топлива. Клапан соединяется с якорем соленоида, который при подаче напряжения на катушку притягивает якорь и открывает клапан. Закрывается клапан под действием возвратной пружины и давления газа в надклапанной полости.

Дозирование газового топлива осуществляется путем изменения времени открытия дозирующего клапана для каждого цилиндра индивидуально.

Так как при работе на газе незначительные отклонения от заданного режима могут привести к возникновению детонации, на каждом цилиндре установлен датчик детонации, который связан с блоком управления двигателем.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rating 0.00 (0 Votes)

Метки: Топливные системы, Топливная аппаратура газовых и газодизельных судовых двигателей

Для того, чтобы оставить комментарий, войдите или зарегистрируйтесь.