2.11. Экономичность длинноходных дизелей

В связи с продолжающимся ростом цен на топливо эксплуатационники и разработчики дизелей стремятся использовать все технически возможные способы сокращения расхода топлива на двигателях, выдвигая эту задачу на передний план. В связи с расширением использования более дешевых тяжелых топлив и ухудшением их качества (около 80 % применяемых в судовых дизелях топлив приходится на топлива с вязкостью 180 сСт и выше) проводятся интенсивные работы по совершенствованию систем топливоподготовки и процессов сжигания таких топлив.

В повышении экономичности судовых дизелей в период с середины 80 до середины 90 годов наблюдался качественный скачок: расход топлива снизился приблизительно на 20 – 25 %.

Такое резкое повышение экономичности судовых дизелей обьясняется внедрением ряда прогрессивных мероприятий и прежде всего совершенствованием рабочего процесса. В МОД повышение экономичности обеспечено за счет:

- увеличения длинноходности (увеличения хода поршня к диаметру цилиндра S/D, которое достигло 2,5 – 3,8);

- введения изобарного наддува;

- повышения КПД газотурбонагнетателей (до 70 – 72 %) и лучшего согласования их характеристик с гидравлическими характеристиками дизелей;

- совершенствования системы очистки рабочего цилиндра от отработавших газов с переходом на прямоточную продувку и оптимизации фаз газораспределения;

- повышения максимального давления сгорания до 13 МПа; коэффициента избытка воздуха при сгорании до 3 и степени сжатия до 13-15;

- интенсификации смесеобразования для сокращения задержки самовоспламенения и периода сгорания топлива;

- уменьшения доли потери тепла с охлаждающей двигатель жидкостью;

- повышения максимального давления впрыскивания топлива (до 130 - 150 МПа) и оптимизации фаз топливоподачи с уменьшением продолжительности впрыскивания;

- возрастания механического КПД двигателя (до 92 – 94 %).

Поясним некоторые тенденции развития судовых дизелей.

С момента строительства дизелей с наддувом проводятся интенсивные работы по совершенствованию систем наддува. С увеличением давления наддува до 0,3 МПа повысилось и давление отработавших газов в выпускном коллекторе перед газовой турбиной ГТН, что позволило более эффективно использовать энергию этих газов в газовой турбине при постоянном давлении, т.е. при изобарной системе наддува.

С введением изобарной системы наддува и увеличением длинноходности, в МОД в основном стали использовать лишь прямоточно-клапанную продувку с одним выпускным клапаном и отказались от использования подпоршневых полостей в качестве второй ступени наддува. Прямоточно-клапанная продувка, особенно, в длинноходных дизелях, оказалась наиболее эффективной, а снижение частоты вращения вала повысило механический КПД дизеля, который достиг 92 - 94 %.

Одновременно достигнуты и большие успехи в повышении КПД газотурбонагнетателей (с 50-55 до 70-72 %) за счет перехода на изобарную систему наддува, применения рабочих роторов с загнутыми назад лопатками и оптимизации формы корпусов.

Нововведением в системе турбонаддува является отказ от охлаждения проточной части газовой турбины (обычно она охлаждается водой), что повысило температуру отработавших газов на 10-12 ⁰С, а следовательно, и теплоперепад отработавших газов, поступающих в утилизационный котел.

Экономичность всей СЭУ зависит не только от расхода топлива главным двигателем, но и от расхода топлива на обеспечение судна паром, дистиллатом и электроэнергией. Поэтому на теплоходах большое внимание уделяется утилизации тепла отработавших газов и охлаждающей двигатель жидкости.

Наряду с использованием утилизационных паротурбогенераторов и вакуумных испарителей при большой мощности главного двигателя начали применять новую схему утилизации тепла с так называемой «силовой турбиной». Силовая газовая турбина, работающая на отработавших газах параллельно с ГТН и включаемая при 50 % и выше нагрузке дизеля, передает свою мощность коленчатому валу дизеля через систему передач или электрогенератору, что дает около 2 % экономии топлива. Силовая турбина (система «Turbo Compound Sistem») может быть установлена практически на всех дизелях МС и МСЕ.

Увеличение степени наддува дизелей сопровождалось возрастанием не только механической, но и тепловой нагрузок. Для снижения механических напряжений в деталях ЦПГ их стенки следует выполнять более толстыми, а для понижения тепловых напряжений стенки должны быть как можно тоньше. Это противоречие удалось разрешить путем введения нового принципа охлаждения втулки и крышки цилиндра, а также поршня с помощью сверленых каналов и ряда других конструктивных мероприятий.

Ниже приводится оценка влияния ряда взаимосвязанных между собой факторов на экономичность рабочего процесса, благодаря которым ведущие фирмы добились резкого улучшения экономических показателей длинноходных малооборотных дизелей.

При увеличении отношения S/D до 3,8 снижение расхода топлива можно оценить в 3 – 4 %. Положительное влияние увеличения отношения S/D на экономичность дизеля обусловлено более полным расширением газов в цилиндре двигателя, т.е. совершением большей индикаторной работы, а также повышением качества наполнения рабочего цилиндра при прямоточно-клапанной продувке. Последнее позволило повысить коэффициент избытка воздуха при сгорании. С увеличением отношения S/D фирмы снизили частоту вращения коленчатого вала, что уменьшило потери на трение в его подшипниках, т.е. способствовало возрастанию механического КПД, а поэтому и росту эффективного КПД.

Переход с импульсного наддува на изобарный и повышение степени наддува привели к уменьшению расхода топлива в среднем на 7,9 %, при этом давление сгорания осталось неизменным. Повышение экономичности в данном случае объясняется различными причинами. Прежде всего, при изобарном наддуве проще обеспечить более высокий КПД газовой турбины ГТН, что привело к более позднему выпуску газов из цилиндра (выпускной клапан открывается позднее на 17-20 ^оПКВ ), а следовательно, к большей работе расширения и более высокому индикаторному КПД. Одновременно с переходом к изобарному наддуву было повышено давление наддувочного воздуха и среднее эффективное давление. А в этом случае, как известно, доля тепла, уносимого с охлаждающей водой уменьшается.

Одним из важнейших путей повышения экономичности современных дизелей является совершенствование их рабочего процесса за счет увеличения давления сгорания и коэффициента избытка воздуха при сгорании, уменьшения продолжительности впрыскивания топлива, увеличения давления впрыскивания топлива и интенсификации процесса сгорания.

Из этих параметров на основе опытных данных установлено, что при увеличении давления сгорания расход топлива снижается при широком изменении S/D.

Известно, что в современных судовых дизелях повышены коэффициент избытка воздуха при сгорании и степень сжатия. Что касается степени повышения давления, то в современных МОД она несколько ниже, чем была раньше. Конечно, снижение степени повышения давления вызывает некоторое уменьшение индикаторного КПД, но значительное повышение коэффициента избытка воздуха при сгорании и степени сжатия не только компенсирует уменьшение индикаторного КПД, но в конечном счете обеспечивает заметный его рост.

Анализ данных дает основание сделать вывод, что за счет совершенствования рабочего процесса достигнуто снижение расхода топлива на 3 – 5 %.

Механический КПД длинноходных дизелей возрос на 2 – 3 %.

Установка силовой турбины обеспечивает снижение расхода топлива на 2 – 3 %.

Все это и обеспечило резкое повышение экономичности дизелей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рабочие процессы судовых дизелей. М., «Транспорт», 208 с. Авт.: Возницкий И.В., Камкин С.В., Шмелев В.П., Осташенков В.Ф.

2. Самсонов В.И., Худов Н.И. Двигатели внутреннего сгорания морских судов. Учебник для ВУЗов.- 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1990.-368 с.

3. Судовые двигатели внутреннего сгорания: Учебник/ Ю.Я.Фомин, А.И.Горбань, В.В.Добровольский, А.И.Лукин и др. – Л.: Судостроение, 1989. – 344 с.

4. Возницкий И.В., Михеев Е.Г. Судовые дизели и их эксплуатация. Учеб. для мореход. училищ. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1990. 360 с.

5. Фомин Ю.Я., Волошин А.А. Конструкция судовых дизелей. Метод. указания к практ. занятию. КМП ОИИМФ, Одесса, 1991, 50 с.

6. Эксплуатация судовых дизельных энергетических установок: Учеб. для вузов / С.В.Камкин, И.В.Возницкий, В.Ф.Большаков и др. – М.: Транспорт, 1996, 432 с.