Kierunek rozwoju silników nap
ę
du głównego statków
Podstawowym celem rozwoju silników napędu głównego jest redukcja kosztów eksploatacji
silnika oraz umożliwienie łatwego przystosowania silników do różnych warunków pracy.
Można, wyróżnić trzy główne obszary realizacji powyższego:
1.
Podwyższenie niezawodności silnika:
•
monitorowanie „on-line”, mające zapewnić rozkład obciążenia pomiędzy
cylindrami
•
aktywna ochrona „on-line” zabezpieczająca silnik przed przeciążeniem
termicznym
•
ostrzeżenia o błędach i pokazywanie środków zaradczych
•
znaczące polepszenie pracy silnika w niskich stanach obciążenia.
2.
Zwiększenie efektywności kontroli emisji spalin:
•
emisja sprowadzona do spełnienia lokalnych wymagań
•
możliwości wprowadzania kolejnych udoskonaleń.
3.
Redukcja zużycia paliwa i oleju cylindrowego:
•
zoptymalizowanie pracy silnika we wszystkich stanach obciążenia
•
wydłużenie czasu eksploatacji silnika
•
mechaniczno- elektroniczne smarowanie tulei cylindrów silnika z kontrolą
dozowania dawki od obciążenia.
By uzyskać dużą niezawodność pracy silnika, konieczne jest posiadanie systemu, który
będzie chronił silnik przed uszkodzeniami spowodowanymi jego przeciążeniem,
niedostateczną konserwacją, złym ustawieniem pracy np. układu wtryskowego bądź
zaworów wydechowych itp. System monitorujący musi umożliwiać prawidłową ocenę
stanu ogólnego silnika dla zachowania prawidłowości jego pracy w ustalonych przedziałach
wartości parametrów, aby przez to wydłużać czas eksploatacji silnika.
SILNIKI TYPU ME
NOWA GENERACJA SILNIKÓW OKRĘTOWYCH
Wprowadzenie elektronicznego sterowania w wolnoobrotowych
silnikach okrętowych bez wału rozrządu, jest krokiem milowym w
technologii silników. Zasługuje na miejsce w historii silników tak jak
pierwszy silnik Rudolfa Diesla w Augsburgu, łódź motorowa
Selandia
w
1912
roku,
wprowadzenie
turbosprężarki
w
dwusuwowych silnikach w 1954, czy pierwsze urządzenie do redukcji
tlenków azotu w spalinach (SCR - selektywny katalizator tlenków
azotu), które pojawiło się na statkach w 1989 roku.
Silniki „Diesla” sterowane wałem rozrządu są arcydziełem od
początku istnienia maszyny tłokowej i zostały rozwinięte i ulepszone
do granic możliwości. Jednakże mechaniczna krzywka o stałym
kształcie
stanowi
ograniczenie
w
możliwościach
czasowego
sterowania momentem wtrysku i wartością dawki paliwa.
Dlatego też
postanowiono to zmienić i przejść na elektroniczne sterowanie
celem:
1)
zapewnienia właściwego wyboru momentu i czasu wtrysku
paliwa oraz jego dawki,
2)
doboru właściwego sterowania zaworem wydechowym,
3)
dozowania oleju cylindrowego podawanego do tulei.
Techniczna realizacja wymienionych celów oparta o elektroniczne
systemy sterowania daje możliwości:
1.
optymalnej pracy silnika przy niskim obciążeniu,
2.
zmniejszenia
jednostkowego
zużycia
paliwa
i
oleju
cylindrowego,
3.
wpływania na emisję szkodliwych związków w spalinach (np.
tlenków azotu NO
x
)
4.
łatwej zmiany trybów pracy silnika,
5.
diagnozowania pracy silnika.
Silniki firmy MAN B&W typu ME wyposażone są w zintegrowany
układ elektronicznego sterowania:
1.
zaworami powietrza rozruchowego
2.
sekwencją rozruchu i przesterowania silnika,
3.
pomocniczymi sprężarkami powietrza doładowującego,
4.
profilowanie wtrysku paliwa,
5.
siłownikami zaworów wydechowych,
6.
dozowaniem oleju cylindrowego,
7.
funkcją regulatorów prędkości obrotowej.
ELEMENTY SILNIKA TYPU ME-C
Fizyczna
różnica
między
silnikiem
typu
MC-C
i
jego
odpowiednikiem
typu
ME-C
jest
taka,
ż
e
usunięto
liczne
mechaniczne części i zastąpiono je elementami hydraulicznymi i
mechatronicznymi
z
wbudowanymi
funkcjami,
tak
jak
przedstawiono na rys. Następujące części są usunięte:
Napęd łańcuchowy
Rozdzielacz powietrza rozruchowego
Stojak koła łańcuchowego
Regulator prędkości obrotowej
Skrzynia łańcuchowa z ramą
Listwa paliwowa
Wał rozrządu z krzywkami
Mechaniczne lubrykatory
Rolkowe prowadnice do pomp paliwa
i zaworów wydechu
Lokalne stanowisko sterowania
Wtryskowe pompy paliwowe
Wspomniane zespoły zastąpiono przez:
Zasilacz hydrauliczny (HPS – Hydraulic Power Supply)
Hydrauliczne bloki cylindrowe (HCU – Hydraulic Cylinder
Units)
System sterowania silnikiem (ECS – Engine Control System),
sterujący następującymi układami:
1.
Elektronicznym profilowaniem wtrysku paliwa (EPIC –
Electroncally Profiled Injection)
2.
Napędem zaworu wydechowego
3.
Modułami zwiększającymi ciśnienie paliwa
4.
Rozruchu i przesterowania silnika
5.
Funkcjami regulatora prędkości obrotowej
6.
Zaworami powietrza rozruchowego
7.
Pomocniczymi sprężarki powietrza doładowującego
System czujników położenia wału korbowego i pomiaru
prędkości obrotowej
Elektroniczny system dozowania oleju cylindrowego (Alpha
Lubricator)
Lokalny panel obsługi (LOP – Local Operating Panel)
Rysunek powyżej pokazuje, w jaki sposób energia do wtrysku
paliwa i obsługi zaworu wydechowego – poprzednio dostarczana
przez napęd łańcuchowy – teraz jest dostarczana z zasilacza
hydraulicznego (HPS – Hydraulic Power Supply), usytuowanego z
przodu silnika na wysokości ramy fundamentowej.
Główne komponenty jednostki HPS to:
Filtr samoczyszczący się z 10 – mikronową siatką filtrującą
Filtr nadmiarowy z 25 – mikronową siatką filtrującą
Napędzane pompy:
•
wysokiego ciśnienia z ciśnieniem zasilania 175 bar.,
•
niskiego ciśnienia spełniające rolę popychacza zaworu
wydechowego z ciśnieniem zasilania 4 bar.
Pompa odśrodkowa tłokowa napędzana od silnika wysyłająca
olej
o
wysokim
ciśnieniu
do
Hydraulicznych
bloków
cylindrowych (HCU – Hydraulic Cylinder Units); wytworzone
ciśnienie oleju do 250 bar.
Przed rozruchem silnika głównego, ciśnienie oleju w systemie
mechaniczno-hydraulicznym
(potrzebne
do
sterowania
pracą
siłowników) jest generowane przez pompy napędzane silnikiem
elektrycznym. Po rozruchu pompa napędzana od silnika przejmie
kontrolę zasilania.
Pompy mogą być napędzane przez przekładnie zębate lub
łańcuchowe w zależności od wielkości silnika. Hydrauliczne pompy
są mimośrodowymi pompami z regulowanym przepływem przez
zintegrowany system sterowania. Są tam trzy pompy napędzane od
silnika, ale faktycznie tylko dwie są potrzebne do obsługi. Jeśli
chcemy cały system hydrauliczny oleju możemy zrobić jako
oddzielny, niezależny system.
Rysunek
przedstawia
całą
instalację
hydrauliczną
z
hydraulicznym
blokiem
zasilania
HPU.
Jak
widać
olej
do
serwomechanizmów (servo oil) jest doprowadzany poprzez rury o
podwójnej ściance do jednostki hydraulicznej cylindra (HCU),
znajdującej się na każdym cylindrze.
Bloki HCU montowane są na wspólnej platformie w górnej części
silnika, jak przedstawiono na poniższym rysunku, a szczegółowo na
następnym
. Na tym rysunku pokazane są także ważne zawory sterowane
elektronicznie do wtrysku paliwa (tzw. ELFI – elektronicznie
ustawiany zawór sterujący wtryskiem paliwa; a proportional
Electronic Fuel Injection control valve) i dwupołożeniowy zawór do
napędu zaworu wydechowego (tzw. ELVA – on-off Electronic
exhaust Valve Actuator).
Jednostka hydrauliczna cylindra HCU zawiera blok dystrybucji
oleju
ze
zbiornikami
ciśnieniowymi
(akumulatorami
hydraulicznymi),
siłownik
napędu
zaworu
wydechowego
z
zaworkiem (rozdzielaczem) sterującym ELVA i moduł zwiększający
ciśnienie paliwa z zaworkiem sterującym ELFI, podnoszącego
ciśnienie paliwa z 10 bar do określonego potrzebami wtrysku
ciśnienia 600 ÷ 1000 bar. W ten sposób unika się stałego wysokiego
ciśnienia podgrzanego paliwa na górze silnika, bez utraty zalet
wysokociśnieniowego wtrysku.
Na poniższych rysunkach pokazano system wtrysku paliwa w
cylindrze
Rysunek
przedstawia
przypuszczalne
komponenty
modułu
zwiększającego ciśnienie paliwa. Jak się okazuje, moduł ten jest
mechanicznie o wiele prostszy niż tradycyjna pompa wtryskowa z
rolką, prowadnicą rolkową, układem VIT i układem odcinającym
dawkę paliwa.
Nastepne dwa rysunki przedstawiają działanie bloku podawania
paliwa (fuel oil pressure booster) odpowiednio do sygnału
sterującego, który wysyłany jest do ELFI z układu sterowania pracą
silnika
.
Rysunek pokazuje idealny stan części po 4000 godzin pracy, obecnie więcej
niż 10000 godzin, a skutki są dalej takie same. Praktycznie nie ma nic do
zarzucenia. Moduł zwiększający ciśnienie paliwa jest mniej narażony na
zużycie niż tradycyjna pompa paliwowa i można oczekiwać dłuższej
ż
ywotności.
Rysunek wyjaśnia w szczegółach jak napęd zaworu wydechu reaguje na
elektroniczny sygnał sterujący pochodzący z systemu sterowania pracą
silnika.
Innym systemem, który skorzystał z tych uproszczeń mechanicznych
przez to, że jest sterowany elektronicznie, jest system powietrza
rozruchowego. Mechaniczny rozdzielacz powietrza rozruchowego
przeszedł do historii.
System Alpha Lubrykator do sterowania dawką oleju smarującego
tuleje cylindrowe, jest również stosowany w silnikach typu ME i
korzysta z oleju serwomechanizmu (servo oil) o ciśnieniu 200 bar
jako siły napędzającej, a nie z oddzielnego stanowiska pompowego
używanego w silnikach MC. Wykonanie, dla silników typu ME,
przedstawiono na powyższym rysunku, olej cylindrowy oddzielony
jest
od
oleju
serwomechanizmu
(servo
oil).
System
Alpha
Lubrykator jest zamontowany na bloku HCU.
System sterowania pracą silnika ME (wersja uproszczona jest
pokazana na rysunku, a dokładniej na rysunku następnym), został
zaprojektowany według zasady, że żaden błąd nie spowoduje
zakłócenia pracy silnika. Dlatego też wszystkie ważne komputery
znajdują się na stanowiskach w pełnej gotowości.
Wszystkie komputery w tym systemie, nazwane jako:
1.
EICU – Engine Interface Control Unit,
2.
ECU – Engine Control Unit,
3.
CCU – Cylinder Control Unit
4.
ACU – Auxiliary Control Unit
wykonują te same zadania i mogą zastępować się wzajemnie, w ten
sposób, że przystosowują się one do pożądanej funkcjonalności
wybranej lokalizacji, kiedy będą zainstalowane, nawet zastąpione
przez zapasowe. Ten komputer często zwany jako sterownik
wielozadaniowy (Multi-Purpose Controller) jest własnością MAN
B&W Diesel.
Jeśli chodzi o aspekty montażowe, rys. 22 pokazuje, że oprócz
okablowania sieci sterującej, silniki typu ME-C i typu MC-C z
punktu widzenia stoczni są takie same, tak jak to wyszczególniono
poniżej:
Całkowita wysokość: taka sama
Umiejscowienie silnika: takie samo
Zarys silnika: modyfikacje niemające wpływu dla stoczni
Waga silnika: nieznacznie mniejsza
Połączenie rur silnika: dodano odpływ od filtra na silniku,
pozostałe połączenia są niezmienione
Obrys podestów: małe modyfikacje
Strona wydechu: taka sama
Objętość mechanizmów pomocniczych: taka sama
System oleju smarowego: nieznacznie zmodyfikowany
Specyfikacja i instalacja regulatora prędkości obrotowej
pominięta
Pozostałe systemy: takie same
Okablowanie: kable dodane do celów komunikacji i do sieci.
CECHY SILNIKA TYPU ME-C
Jak wspomniano we wstępie, produkcja silników sterowanych
elektronicznie koncentruje się na zaletach odnoszących się do celu
„zapewnienia wysokiej jakości wtrysku paliwa, a także do
dokładnego czasu otwarcia zaworu wydechowego w najbardziej
pożądanym momencie”.
Jeśli chodzi o ruch zaworu wydechowego, to znaczy zmiany
„długości krzywki”, jak przedstawiono na rysunku 24, uzyskano
poprzez zmianę momentu aktywowania zaworu ELVA. To może być
użyte do sterowania energią spalin przeznaczoną dla turbosprężarki,
zarówno podczas stałych jak i przejściowych warunków obciążenia.
Rys. 25 daje obraz, jak „różnej długości krzywka” została
zastosowana dla silnika typu 7S50ME-C przy 100% doładowania i
75% obciążenia.
Dzięki licznym możliwościom (jakie daje zawór ELFI) zaworu
sterującego ciśnieniem oleju serwomechanizmu (servo oil) dla
modułu zwiększającego ciśnienie paliwa, nie tylko „długość krzywki”
oleju napędowego, ale także „nachylenie i kąt krzywkowy” i liczne
działania na suw mogą być zróżnicowane dla wtrysku oleju.
Rys. 26 ilustruje różne charakterystyki zarejestrowane podczas
testowania silnika ME. Charakterystyka z podwójnym wtryskiem
powoduje znaczną redukcję emisji tlenków azotu, rys. 32.
Przebiegi wybranych parametrów dla silników typu ME-C i
typu MC-C są przedstawione na rys. 30. Mniejsze zużycie paliwa jest
osiągana przez podniesienia ciśnienia maksymalnego w całym
zakresie dawkowania. Aby uniknąć zbyt dużej różnicy pomiędzy
ciśnieniem maksymalnym, a ciśnieniem sprężania to ciśnienie jest
także podniesione przez sterowanie w czasie.
Niższe SFOC powoduje zwiększoną emisję tlenków azotu. Z tego
powodu w system sterowania pracą silnika typu ME jako standard,
mają być wprowadzone dwa tryby pracy tj. tryb „niskiego zużycia
paliwa” i tryb „niskiej emisji tlenków azotu”. Rys.31 pokazuje
zależność
pomiędzy
SFOC,
tlenkami
azotu
i
ciśnieniami
maksymalnymi i sprężania dla tych dwóch trybów.
Należy nadmienić, że silnik ME-C stosuje się do przepisów IMO
dotyczących emisji tlenków azotu także w trybie mniejszego zużycia
paliwa.
Tryb niskiej emisji tlenków azotu jest przewidziany dla
obszarów gdzie obowiązują normy niższe niż w przepisach IMO
dotyczące emisji tlenków azotu.
Zmiana z jednego trybu na drugi jest kwestią sekund i odbywa
się podczas pracy, jak pokazano na rys. 32.
PODSUMOWANIE
Zalety silników typu ME-C są całkiem zrozumiałe:
Niższy jednostkowe zużycie paliwa (SFOR) i lepsze parametry
pracy silnika dzięki różnorodności elektronicznego sterowania
wtryskiem paliwa i pracą zaworów wydechowych przy każdym
obciążeniu.
Odpowiednie ciśnienie wtrysku paliwa i odpowiednia wielkość
dawki paliwa przy każdym obciążeniu
Ulepszona charakterystyka emisji z niższym poziomem emisji
tlenków azotu i bezdymną pracą.
Łatwa zmiana obsługiwania trybów podczas pracy silnika.
Prostota systemu mechanicznego ze sprawdzoną tradycyjną
technologią wtrysku paliwa znaną każdej załodze.
System sterowania z możliwością precyzyjnego czasowania daje
lepsze obciążenie temperaturowe silnika w cylindrze i pomiędzy
poszczególnymi cylindrami.
System umożliwia odpowiednie monitorowanie i diagnostykę
silnika w celu wydłużenia czasu pomiędzy remontami.
Mniejsze prędkości obrotowe podczas manewrowania.
Lepsze przyśpieszenie, osiągane podczas manewru awaryjnego
hamowania silnikiem
Zintegrowane smarowanie cylindrów (Alpha cylinder
Lubricators)
Możliwość rozwijania i wymiany oprogramowania podczas całej
ż
ywotności silnika.