Główny inżynier obsługujący czterosuwowy zestaw pomocniczy o mocy 6000 kW ma przed sobą dwie liczby. Cena benzyny na jego trasie wynosi około dwóch trzecich oleju opałowego o bardzo niskiej zawartości siarki, a głowica cylindrów, którą właśnie wycofał z eksploatacji, ma przepracowane 12 000 godzin i ma zużyte gniazda zaworów wydechowych. Te dwie liczby wyjaśniają prawie wszystko na temat silnika dwupaliwowego.
Krótka odpowiedź jest prosta. Silnik dwupaliwowy to silnik wysokoprężny, który może pracować na gazie jako głównym paliwie, wykorzystując niewielką ilość paliwa ciekłego jako źródło zapłonu i który może ponownie przełączyć się na paliwo ciekłe, gdy tylko zajdzie taka potrzeba. Głowica cylindrów ma ogromne znaczenie, ponieważ tryb gazowy zmienia ciśnienie, wydzielanie ciepła i obciążenie zaworów w komorze spalania, a to właśnie w głowicy znajdują się wszystkie trzy elementy. Poniżej omówiono dwie drogi spalania, rzeczywisty koszt paliwa pilotowego, sposób, w jaki współczynnik substytucji spada wraz z obciążeniem oraz szczegóły części decydujące o tym, czy zamienna głowica przetrwa tryb gazowy.
Co silnik dwupaliwowy robi inaczej
Silnik dwupaliwowy rozpoczyna życie jako silnik wysokoprężny. Blok, wał korbowy, korbowody i moc znamionowa pozostają tej samej klasy, a silnik zachowuje zasadę zapłonu samoczynnego, która przede wszystkim zapewniła niezawodność oleju napędowego. Zmienia się układ zasilania gazem, konstrukcja komory spalania, oprogramowanie sterujące i, w przypadku większości konwersji czterosuwowych, sama głowica cylindrów.
W trybie gazowym silnik spala jako główne źródło energii gaz ziemny, a w niektórych instalacjach gaz ziemny skroplony lub metanol. Niewielka ilość oleju napędowego lub oleju napędowego do zastosowań morskich wtryskiwana jest jako paliwo pilotowe i zapewnia energię zapłonu. Ponieważ płomień pilotujący zapala ładunek gazu i powietrza, a nie odwrotnie, silnik utrzymuje ten sam zakres wydajności co silnik wysokoprężny, a jednocześnie nie wytwarza prawie żadnych tlenków siarki. W przypadku przerwy w dopływie gazu lub gdy statek wykonuje manewry, a operator chce natychmiastowej reakcji, silnik powraca do trybu diesla w ciągu kilku cykli spalania.
Operatorzy wybierają podwójne paliwo z trzech powodów praktycznych. Pierwszą z nich jest zgodność: tryb gazowy redukuje tlenki azotu o około 85 procent, co spełnia wymagania normy IMO Tier III bez modułu selektywnej redukcji katalitycznej. Drugi to koszt: na wielu trasach różnica cen między skroplonym gazem ziemnym a olejem opałowym o bardzo niskiej zawartości siarki pokrywa wyższy koszt inwestycyjny silnika i zbiornika paliwa w ciągu kilku lat. Trzeci to opcjonalność: ten sam silnik może spalać dowolne paliwo dostępne na rynku i zgodnie z przepisami najtańsze w danym miesiącu.
W przypadku dużych dwusuwowych silników głównych powszechnie stosowaną metodą jest wtrysk gazu pod wysokim ciśnieniem w późnej fazie suwu sprężania, co pozwala zachować nienaruszony pierwotny cykl spalania oleju napędowego i pozwala uniknąć utraty niespalonego metanu do spalin.
DONGFANG Głowica cylindra | Zamienne części zamienne kompatybilne z morskimi silnikami wysokoprężnymi MAN Kompatybilne modele: L16/24, L23/30, L23/30H, L28/32A, S26MC, L31, L35MC, S35MC, L50MC-C I. Przegląd produktów Głowice cylindrów DONGFANG są kompatybilnymi zamiennikami innych firm... Zobacz produkt → Kompromis leży po stronie konserwacji. Silniki dwupaliwowe wymagają więcej od najwyższej klasy: dokładniejszego rozrządu wtryskiwaczy i zaworów, węższych tolerancji powierzchni uszczelniających oraz głowicy cylindrów, która musi radzić sobie z dwoma różnymi wzorami uwalniania ciepła zamiast jednego.
Dwie drogi spalania, dwa zestawy ładunków
Większość dyskusji na temat dwupaliw sprowadza się do cyklu, jaki silnik wykorzystuje w trybie gazowym, ponieważ od tego wyboru zależy ciśnienie gazu, ilość paliwa pilotowego, poziom wydzielania metanu i obciążenia docierające do głowicy cylindrów.
| Parametr | Tryb gazu pod niskim ciśnieniem | Tryb gazu pod wysokim ciśnieniem |
|---|---|---|
| Cykl spalania | Otto, wstępnie zmieszany ładunek | Diesel, płomień dyfuzyjny |
| Ciśnienie zasilania gazem | Około 5-6 barów | Około 300 do 350 barów |
| Punkt przyjęcia gazu | Suw ssący zmieszany z powietrzem | Późna kompresja, bezpośrednio do cylindra |
| Udział paliwa pilotażowego przy pełnym obciążeniu | Około 1 proc | Około 3 do 5 proc |
| Wyciek metanu | Mierzalne, wyższe przy niskim obciążeniu | Znikome |
| Stopień kompresji | Niższy, obowiązuje limit spalania stukowego | Standardowy poziom oleju napędowego |
| Typowy obowiązek | Czterosuwowe silniki pomocnicze i główne silniki średniej prędkości | Duże dwusuwowe silniki główne |
| Funkcje głowy do sprawdzenia | Otwory wlotowe gazu, gniazda hartowane, kanały chłodzące | Średnica wtryskiwacza gazu, dopasowanie tulei, twardość pokładu ogniowego |
Żadna trasa nie jest lepsza w wartościach bezwzględnych. W przypadku silników czterosuwowych pomocniczych i średnioobrotowych dominuje trasa niskociśnieniowa, w których instalacja gazowa jest prostsza, a przestrzeń maszynowa jest na to wystarczająca. Trasę wysokiego ciśnienia stosuje się w dużych dwusuwowych silnikach głównych, gdzie wyciek metanu jest niedopuszczalny, a sprężarka gazu jest już częścią instalacji.
DONGFANG Głowica cylindra | Zamienne części zamienne kompatybilne z Wartsila Marine Diesel En Kompatybilne modele: R20, L20, R22, R25, R32 I. Przegląd produktów Głowice cylindrów DONGFANG to wysokiej jakości części zamienne na rynku wtórnym, niezależnie opracowane i produkowane... Zobacz produkt → Dlaczego głowica cylindra przenosi większe obciążenie w trybie gazowym
Tryb gazowy podnosi szczytowe ciśnienie w cylindrze i zmienia kształt krzywej uwalniania ciepła, w związku z czym pokład ogniowy, gniazda zaworów i klatki zaworów podlegają trudniejszemu cyklowi niż w przypadku zwykłej eksploatacji z silnikiem wysokoprężnym. W przypadku konwersji wtrysku portowego w głowicy znajdują się również zawory wlotu gazu, co oznacza dodatkowe otwory, dodatkowe powierzchnie uszczelniające i drugą drogę wycieku. Każdy, kto chce tła na samej części, może przeczytać jak zbudowana jest głowica cylindrów i co robi każda powierzchnia .
- Twardość gniazda zaworu i kąt gniazda, ponieważ w trybie gazowym zawory wydechowe są cieplejsze przy częściowym obciążeniu.
- Klatka zaworu i prowadnica pasują, ponieważ zużyte prowadnice powodują nieprawidłowe ustawienie zaworu i zniszczenie gniazda.
- Chłodzenie czystości przejścia, ponieważ częściowo zablokowane przejście zamienia się w popękaną platformę ogniową.
- Otwory zaworów dopływu gazu w silnikach po konwersji, które muszą odpowiadać specyfikacji zestawu do konwersji.
Praktyczną konsekwencją jest to, że głowicy zamiennej do silnika dwupaliwowego nie można kupić wyłącznie ze względu na średnicę średnicy. Wersja silnika, parametry trybu gazowego i zestaw do konwersji zmieniają rysunek, do którego musi pasować głowica.
Pilotażowy udział paliwa: ile oleju napędowego jest nadal potrzebne
Paliwo pilotowe to część rachunku za paliwo, o której operatorzy zapominają i nie jest to stała liczba. Poniższy wykres pokazuje typowe udziały pilotażowe dla pięciu konfiguracji.
Wykres pokazuje, jaka część całkowitej energii musi jeszcze pochodzić z paliwa ciekłego w pięciu typowych konfiguracjach. Niskociśnieniowy czterosuwowy silnik przy pełnym obciążeniu potrzebuje tylko około jednego procenta paliwa pilotowego, dlatego operatorzy traktują tryb gazowy jako prawie całkowicie zasilany gazem. Zmniejsz ten sam silnik do jednej czwartej obciążenia, a udział pilotażowy wzrośnie do około ośmiu procent, ponieważ mieszanka staje się zbyt uboga, aby zapewnić niezawodny zapłon bez większej ilości energii z oleju napędowego. Wysokociśnieniowe silniki dwusuwowe pracują przy pełnym obciążeniu przy około trzech procentach, a modernizacja diesla na gaz wynosi blisko pięć procent, ponieważ ich systemy dopływu gazu i kontroli są mniej precyzyjne niż w przypadku silnika specjalnie skonstruowanego. Przy niskim obciążeniu liczba modernizacji może osiągnąć piętnaście procent, co wystarczy, aby zmienić kalkulację kosztów paliwa dla statku, który spędza długie okresy manewrowania w porcie.
Wskaźnik substytucji spada, zanim silnik ulegnie wyczerpaniu
Stopień substytucji to udział paliwa płynnego, który faktycznie zastępuje gaz, i nie jest on stały w całym zakresie obciążenia.
Czerwona krzywa przedstawia specjalnie skonstruowany niskociśnieniowy silnik dwupaliwowy, utrzymujący około 40% podstawienia przy ćwierć obciążenia i osiągający około 95% przy pełnym obciążeniu. Niebieska krzywa przedstawia silnik wysokoprężny przestawiony na pracę na gazie, który rozpoczyna się od około 25 procent przy czwartym obciążeniu i wzrasta do około 90 procent przy pełnym obciążeniu. Różnica między tymi dwoma krzywymi jest najszersza przy częściowym obciążeniu, czyli dokładnie tam, gdzie promy, statki portowe i statki pomocnicze obsługujące statki morskie spędzają większość czasu pracy. Flota obliczająca oszczędności na podstawie danych z tabliczki znamionowej przy pełnym obciążeniu przeszacowuje je, gdy w cyklu pracy dominuje częściowe obciążenie. Dlatego właśnie profil obciążenia, a nie moc silnika, powinien decydować o wyborze między fabrycznym silnikiem dwupaliwowym a konwersją.
Wpływ trybu gazowego na emisję
Tryb gazowy obniża poziom wszystkich regulowanych substancji zanieczyszczających w porównaniu z pracą na paliwie płynnym, ale nie w takim samym stopniu.
Poziom tlenków siarki spada o około 99 procent, ponieważ gaz ziemny prawie nie zawiera siarki, co samo w sobie spełnia globalny limit wynoszący 0,50 procent i limit 0,10 procent w obszarach objętych kontrolą emisji. Poziom cząstek stałych spada o około 95 procent, a tlenków azotu o około 85 procent, co wystarczy, aby osiągnąć poziom III bez żadnego urządzenia do oczyszczania spalin. Poziom dwutlenku węgla spada jedynie o około 22 procent, ponieważ oszczędności te wynikają ze stosunku wodoru do węgla w paliwie, a nie z technologii spalania. Wykres pokazuje również, dlaczego tryb gazowy jest często opisywany jako narzędzie zapewniające zgodność z przepisami, a nie rozwiązanie klimatyczne: przyrost tlenku azotu i siarki jest duży i natychmiastowy, podczas gdy przyrost emisji dwutlenku węgla jest umiarkowany. W miarę zaostrzania przepisów dotyczących intensywności emisji dwutlenku węgla, eksploatacja dwupaliwowa pomaga flocie zachować zgodność z przepisami, ale sama w sobie nie zapewnia głębokiej dekarbonizacji.
Celowo zbudowany silnik dwupaliwowy lub konwersja
Obie opcje działają na gazie, ale zachowują się inaczej, a poniższe porównanie radarów ocenia je według sześciu kryteriów najczęściej branych pod uwagę przez operatorów.
Obydwa kształty są oceniane w skali od zera do stu w ramach sześciu kryteriów, przy czym większy kształt jest lepszy. Specjalnie zbudowany silnik przoduje pod względem elastyczności paliwa, rezerwy tlenku azotu i dwutlenku węgla, ponieważ jego komora spalania, rozrząd zaworowy i mapy sterowania zostały od początku zaprojektowane dla gazu. Konwersja osiąga lepsze wyniki pod względem przyjazności dla modernizacji, ponieważ utrzymuje w pracy istniejący silnik zamiast go zastępować, a także pozostaje konkurencyjna pod względem oszczędności kosztów paliwa. Najsłabszym obszarem w obu przypadkach jest trwałość podzespołów w górnej części, ponieważ tryb gazowy podnosi ciśnienie szczytowe i zmienia wydzielanie ciepła, w związku z czym gniazda zaworów, klatki zaworów i płyta ogniowa głowicy cylindrów pracują ciężej niż w przypadku zwykłego silnika wysokoprężnego. Konwersja jeszcze bardziej zawęża ten margines, dlatego też głowice zamienne do konwertowanych silników należy zawsze sprawdzać pod kątem specyfikacji trybu gazowego, a nie oryginalnego rysunku oleju napędowego.
Pozyskiwanie głowic cylindrów dla floty dwupaliwowej
Problemem zamówień publicznych na silniki dwupaliwowe jest głównie dopasowanie. Ta sama rodzina silników może występować w wersjach na olej napędowy, na gaz niskociśnieniowy i na gaz wysokociśnieniowy, a głowica cylindrów różni się między nimi w małych, ale krytycznych kwestiach: średnica tulei wtryskiwacza, materiał gniazda zaworu, króćce wlotowe gazu i układ kanałów chłodzących. Głowica pasująca do wersji silnika wysokoprężnego może fizycznie zostać przykręcona do wersji gazowej i mimo to szybko ulegnie uszkodzeniu, ponieważ materiał i twardość gniazda nigdy nie zostały określone dla wyższego ciśnienia szczytowego.
Lista kontrolna przed złożeniem zamówienia jest krótka. Potwierdź model silnika i wersję konstrukcyjną, a nie tylko średnicę. Sprawdź, czy silnik pracuje w trybie gazu niskociśnieniowego, czy wysokociśnieniowego. Sprawdź, czy w głowicy potrzebne są otwory na zawór doprowadzający gaz. Potwierdź kąt gniazda zaworu i wymagania dotyczące twardości. Następnie potwierdź czas realizacji i stan zapasów, ponieważ statek czekający na głowę to statek, który nie zarabia.
Zhoushan Putuo Dongfang Machinery dostarcza części zamienne do głowic cylindrów do okrętowych silników wysokoprężnych, obejmujące rodziny czterosuwowych silników pomocniczych i silników średnioobrotowych, które pojawiają się w projektach konwersji gazu, a także w konwencjonalnych usługach diesla, w tym 
DONGFANG Głowica cylindra | Zamienne części zamienne kompatybilne z Daihatsu Marine Diesel En Kompatybilne modele: DL-20, DL-22, DL-26, DL-28, DL-32, 5DK-20, 6DK-20, DK-28, DS-26, PS-26H (D), DC-17, DE-18 Zobacz produkt →
Pełna oferta, obejmująca jednostki do krajowych silników wysokoprężnych, jest wymieniona w katalog części zamiennych do głowicy cylindrów , gdzie na każdej stronie podano rodzinę silników, z którymi współpracuje głowica.
Liczbą, która ostatecznie decyduje o tym, czy podwójne paliwo się opłaca, nie jest sam rozkład paliwa, ale górny okres międzyobsługowy za nim. Silnik pracujący na gazie przez 6000 godzin rocznie poddaje głowicę cylindrów większej liczbie cykli termicznych niż silnik wysokoprężny pracujący przy tym samym obciążeniu, a według tej arytmetyki głowica jest materiałem eksploatacyjnym. Planowanie wymian w zależności od wersji silnika, specyfikacji trybu gazowego i profilu rzeczywistego obciążenia zapewnia zgodność i dostępność floty pojazdów dwupaliwowych, bez przekształcania oszczędności paliwa w niespodziankę w zakresie konserwacji.
