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).
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%.
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.
