Конвертирование дизелей в двигатели с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием — наиболее простой способ перевода двигателя на газовое топливо. К его преимуществам относятся:
- упрощение конструкции (при отсутствии необходимости сохранения двухтопливности можно полностью отказаться от системы впрыска жидкого топлива, заменив ее на более простые: систему смешивания воздуха с газом и систему искрового зажигания);
- работа системы питания при низких давлениях, что снижает требования к обеспечению безопасности при эксплуатации таких систем.
Главными недостатками использования данных систем является потеря возможности перехода на жидкое топливо, а также снижение литровой мощности, связанной с уменьшением весового наполнения цилиндров. Кроме того, при степенях сжатия, характерных для дизельных двигателей, в широком диапазоне нагрузок отмечается появление детонации, что препятствует использованию таких двигателей в установках с непосредственной передачей мощности на винт. Устойчивая работа двигателей с высокими показателями мощности и эффективности отмечается только в сравнительно узком диапазоне на достаточно бедных смесях (рис. 4.1). Из рисунка видно, что оптимальный коэффициент избытка воздуха лежит в очень узком диапазоне. При значении менее 1,9 двигатель работает с детонацией, а при значении более 2,2 возникает опасность пропусков зажигания. Это обстоятельство значительно затрудняет качественное регулирование двигателей (путем изменения количества подаваемого газа), поэтому в таких двигателях более традиционным является количественное регулирование путем дросселирования воздушного потока на входе в двигатель с помощью воздушной заслонки.
Исходя из приведенных выше соображений, двигатели с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием используют преимущественно в силовых установках буровых нефте- и газодобывающих платформ, где можно обеспечить их надежное снабжение газовым топливом на протяжении всего периода эксплуатации. Реже их используют в составе многомашинных генераторных установок, судов с электрической передачей мощности на винт.
Для получения устойчивого воспламенения и эффективного сгорания бедных газовых смесей энергии электрической искры зачастую оказывается недостаточно, поэтому в судовых двигателях широкое применение находит схема с так называемым форкамерно-факельным зажиганием, показанная на рисунке 4.2.
Форкамера устанавливается на место штатной топливной форсунки и представляет собой полость, соединяющуюся с основной камерой сгорания посредствам нескольких каналов, выполненных в кончике форкамеры, выступающем из крышки цилиндра. В форкамере устанавливаются электрическая свеча зажигания и клапан подачи газа, который приводится в действие от распределительного вала двигателя.
На такте наполнения газ в полость рабочего цилиндра поступает через специальный смеситель, который распределяет его в потоке входящего воздуха (рис. 4.3а). Подача газа смесителем подобрана таким образом, чтобы готовить бедную смесь. Параллельно с поступлением газа в рабочий цилиндр через смеситель в полость форкамеры поступает дополнительная порция газового топлива через клапан подвода газа. В результате в форкамере формируется обогащенная рабочая смесь. При подаче электрической искры смесь в форкамере легко воспламеняется, давление резко возрастает и горящие газы в виде плазменных струй вылетают в основную камеру сгорания, эффективно поджигая бедную рабочую смесь, способствуя ее полному сгоранию (рис. 4.3б). Далее совершается рабочий ход (рис. 4.3в).
Существенным преимуществом данного способа воспламенения рабочей смеси является то, что мощность источника зажигания в нем значительно больше, чем в двигателе с искровым зажиганием. Кроме того, рабочая смесь поджигается не в одной точке у холодной стенки, а в центре заряда. В результате эффективность рабочего процесса, реализуемого по данной технологии, может достигать 48%.
На рисунке 4.4 представлена схема топливной системы двигателя с форкамерно-факельным зажиганием серии KV-G3 фирмы Rolls-Royce. В рабочий цилиндр подача газа осуществляется принудительно и управляется с помощью специального газового клапана, имеющего привод от двигателя. В более современных моделях (например, Wärtsilä 34SG) для этих целей используются клапаны с электрическим приводом, управляемые электронным блоком.
Газовые смесители. Для приготовления газовоздушной смеси на входе в двигатель используются разного рода смесительные устройства, пример конструкции одного из которых представлен на рисунке 4.5. Данный тип смесителей используется фирмой Caterpillar в газовых двигателях серии G 3500.
Воздух после очистки поступает в двигатель, проходя через диффузор. В результате изменения скорости потока в диффузоре возникает разряжение, которое по специальному каналу передается в задиафрагменную полость механизма привода регулирующего клапана.
Под действием разряжения диафрагма прогибается и перемещает клапан, который на торце имеет конический выступ, изменяющий проходное сечение газоподводящего канала. Таким образом, количество газа, подаваемого смесителем, всегда пропорционально количеству воздуха, поступающего в двигатель, за счет чего поддерживается оптимальный коэффициент избытка воздуха. При остановке двигателя отсутствие разряжения приведет к тому, что клапан своей торцевой поверхностью перекроет поступление газа в двигатель.
Регулятор давления газа. Для нормальной работы двигателя газ к смесителю должен поступать при строго определенном давлении.
Давление газа в резервуарах для его хранения значительно выше необходимого для работы смесителя, а в случае использования сжатого газа оно еще может меняться в процессе расходования топлива. Поэтому для газовых двигателей остро стоит вопрос поддержания постоянного давления на входе в двигатель независимо от давления в расходных емкостях. Эта задача решается с помощью специальных устройств, называемых газовыми редукторами. В зависимости от начального давления газа, на участке от топливных емкостей до смесителя может быть установлено от одного до трех редукторов. Пример конструкции регулятора давления фирмы Caterpillar, используемого в газовых двигателях серии G 3600, представлен на рисунке 4.6.
Данный регулятор предназначен для работы с пропанобутановыми газовыми смесями, а также может быть использован в качестве второй ступени понижения давления при применении сжатого природного газа. Давление на входе регулятора лежит в пределах 2420 кПа, на выходе — 21 кПа.
Регулятор, предназначенный для снижения давления, конструктивно представляет собой агрегат, состоящий из двух редукторов: рабочего и выходного давления. Газ поступает в регулятор после испарителя, в котором жидкая фракция превращается в газовую, а также после предварительной очистки. Первоначально газ попадает в полость редуктора рабочего давления, который служит для поддержания постоянного давления в рабочих полостях регулятора.
Редуктор рабочего давления состоит из двух диафрагм, на верхней из которых смонтирован двойной клапан вместе со своим корпусом и седлом. В начале работы при отсутствии давления пружина редуктора рабочего давления через промежуточный упор удерживает клапан в открытом состоянии. Поэтому, когда полость редуктора начинает заполняться, рост давления приводит к тому, что нижняя диафрагма отжимается, преодолевая усилие пружины, и освобождает верхнюю диафрагму. Газ заполняет полость редуктора и наддиафрагменную полость выходного редуктора.
Редуктор выходного давления служит для снижения и регулирования давления на входе в двигатель. Конструктивно он состоит из диафрагмы, нагруженной пружиной, и газового клапана с приводом от диафрагмы через систему рычагов.
В начале работы пружина поднимает диафрагму и через рычажную передачу удерживает клапан в закрытом состоянии — газ к двигателю не поступает. При поступлении газа из редуктора рабочего давления в наддиафрагменную полость сила, действующая на диафрагму, возрастает и, преодолевая усилие пружины, диафрагма перемещается вниз, открывая клапан. Газ начинает поступать к двигателю. Одновременно газ заполняет полость под диафрагмой выходного редуктора и создает силу, стремящуюся переместить диафрагму вверх, закрыв тем самым клапан. В конечном счете устанавливается равновесие между положением клапана, расходом газа через него и давлением на выходе регулятора.
