Двигатель внутреннего сгорания (судовые энергетические установки)

Введение

Развитие современного флота Российской Федерации, разработка и строительство перспективных кораблей и судов невозможны без развития судовых энергетических установок (СЭУ). Выбор типа СЭУ является одним из наиболее важных этапов проектирования судна.
В настоящее время СЭУ с дизельными двигателями являются самыми экономичными и находят широкое применение на флотах всего мира. В ближайшей перспективе отчетливо просматривается тенденция к совершенствованию дизельных установок, и это одно из направлений дальнейшего развития судовой энергетики [1].
В настоящее время для российского флота характерно отсутствие серийного производства энергетических установок. Резервы улучшения показателей отечественных СЭУ - повышение агрегатной мощности за счет роста среднего эффективного давления, снижение удельного эффективного расхода топлива, увеличение технического ресурса известными методами - практически исчерпаны. Поэтому в последнее время широко развивается другое направление - применение новых типов энергетических установок с целью повышения энергетической эффективности, экономичности и экологической безопасности судов.
1.1. Перспективные направления развития поршневых двигателей в составе судовых энергетических установок
Перспективным направлением является создание комбинированных энергетических установок (КЭУ) со свободнопоршневыми дизель-генераторами (СПДГ). Это эффективное направление совершенствования экологических и экономических характеристик. Предельное упрощение и сокращение массы и габаритов дизель-генераторов достигается полным исключением всех валов и всех механических приводов и передач.
Уменьшение эксплуатационного расхода топлива СПДГ по сравнению с транспортными дизель-генераторами традиционного исполнения составит не менее 30 %. В СПДГ возможно удовлетворение экологических требований МАРПОЛ 73/78. Расход масла у известных СПДГ на порядок меньше, чем у обычных. В СПДГ исключены поршневые пальцы, шатуны, коленчатые и распределительные валы, их приводы и опоры, противовесы и маховики, практически все межагрегатные и управляющие механические связи заменены информационными, реализуемыми микропроцессорным управляющим устройством - микроконтроллером.
К КЭУ второго уровня сложности можно отнести турбокомпаундный двигатель. Прототип такой энергетической установки с силовой турбиной был разработан и испытан на базе серийной модели «Камминс NTC-400» (рис. 2).
Базовый двигатель NTC-400 (6ЧН 14/15,2) с наддувом и охлаждением наддувочного воздуха имеет номинальную мощность 298 кВт при 2 100 об/мин. Минимальный удельный расход составляет 193 г/(кВт • ч), расход на номинальном режиме-200 г/(кВт • ч). Силовая турбина низкого давления с радиальным подводом газа использует энергию отработавших газов (ОГ), выходящих из агрегата турбонаддува; вместе с корпусом подшипников она составляет отдельный модуль [4]. Два других модуля - высокооборотный и низкооборотный редукторы (со встроенной гидромуфтой). Двигатель оборудован двухконтурной системой охлаждения для снижения температуры заряда, что повысило термический КПД и снизило содержание окислов азота в ОГ.


Рис. 2. Схема турбокомпаундного двигателя
Использование силовой турбины потребовало некоторой конструкторской доработки дизеля, которая коснулась распределительного вала, клапанов, выпускных каналов, выпускного коллектора и турбонагнетателя; это позволило уменьшить потери в процессе выпуска. Ни температура, ни напряжение в деталях цилиндро-поршневой группы не повысились.
Создание в ближайшем будущем работоспособного адиабатного двигателя с достаточно высоким ресурсом во многом -зависит от успехов материаловедения. Еще одна проблема - это смазка, которая должна выдерживать высокую температуру на поверхности цилиндра (480 °С вместо обычных 180-205 °С).
Из всего сказанного можно сделать предположение: в ближайшие 15—20 лет транспорт, оснащенный КЭУ, займет лидирующее положение в выпусках различных видов транспортных средств ведущих мировых фирм.
Одним из основных достоинств двигателя является более низкий расход топлива на эксплуатационных режимах работы (в диапазоне мощности 50...85 % от номинальной)

. Экономия топлива достигает приблизительно 1,5...3,0 г/(кВт • ч), что выражается, например, для танкера среднего водоизмещения, оснащенного главным двигателем мощностью 27 200 кВт, годовой экономией топлива в 200...300 т .
Одним из наиболее перспективных путей является широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе машин Стирлинга. Конструктивно машина Стирлинга представляет собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: теплообменника нагрузки (нагревателя или конденсатора), регенератора и холодильника (рис. 3). В качестве рабочего тела используют, как правило, гелий, воздух, азот, водород, которые во внутреннем контуре машины совершают прямой или обратный термодинамический цикл, состоящий из двух изотерм и двух изохор.

Рис. 3. Принципиальная схема машины Стирлинга: 1 - рабочий поршень; 2 - холодильник;
3 - регенератор; 4 - теплообменник нагрузки; 5 - поршень-вытеснитель
Преимущества двигателей Стирлинга:
-осуществление процесса горения вне рабочих цилиндров, протекающего равномерно;
-высокая степень экологической чистоты, как самих рабочих тел машин Стирлинга, так и отработавших сред;
-высокая энергетическая эффективность (термический КПД цикла идеальной машины Стирлинга равен КПД цикла Карно) [1];
-возможность работы на любом виде горючего.
Недостатки:
-сложность математического описания и методов расчета проектируемых машин;
-сложность разработки и конструктивного исполнения основных узлов, обусловленная высоким давлением (15—40 МПа), особенностями рабочих тел, многообразием компоновочных схем и внешним подводом теплоты;
-сложность технологического исполнения, связанная с применением жаропрочных сплавов и цветных металлов, изготовлением и упаковкой насадки регенератора.
Проблема достижения действующих и перспективных требований, предъявляемых к судовым энергетическим установкам, является комплексной, и для ее решения необходимы совместные усилия научных институтов, инженеров-конструкторов, производителей двигателей и топлива.
1.2. Судовые энергетические установки системы и устройства
Актуальность проблемы использования газопоршневых двигателей (ГПД) в составе судовых энергетических установок (СЭУ) обусловлена двумя факторами: стремлением сократить потребление топлив нефтяного происхождения и необходимостью повышения экологической безопасности СЭУ Влияние выбросов СЭУ на глобальное состояние воздушного бассейна является ограниченным, составляя 5 - 7 % от общего количества выбросов вредных веществ стационарными энергетическими установками и наземными транспортными средствами [1].
Однако, из-за большой агрегатной мощности, судовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) могут являться основными источником загрязнения атмосферы в таких локальных зонах, как порты, гидротехнические сооружения, акватории рек в черте города. Эмиссия токсичных соединений и твердых частиц с отработавшими газами регламентирована российскими и международными стандартами (Euro, IMO, TA-Luft, Tier).
Перспективными газообразными топливами следует считать природный газ и альтернативные топлива, представляющие собой химические соединения, не являющиеся продуктами переработки нефти. Сравнительный анализ различных видов альтернативных топлив для судовых энергетических установок с точки зрения токсичности отработавших газов выполнен в работе [3], в которой с учетом особенностей хранения и использования различных газообразных топлив сделан вывод о наибольшей перспективности природного газа.
К перспективным и альтернативным топливам в настоящее время относят природный газ — метан (СН4), водород (Н,), биогаз на основе метана, сжиженные углеводородные газы: пропан (C3HR) и бутан (С4Н10). Задача снижения выбросов вредных веществ может быть также решена за счет использования в составе СЭУ двухтопливных двигателей, конструкции которых представлены в работах [1], [4].
Для водного транспорта расширение применения природного газа представляется наиболее вероятным