Устройство и виды топливных систем бензиновых и дизельных двигателей

Устройство и виды топливных систем бензиновых и дизельных двигателей

Топливная система – важнейшая часть автомобиля, которая служит для подачи топлива из бака в камеру сгорания двигателя. Она состоит из множества элементов, предназначенных для транспортировки, фильтрации, учета, подготовки и отвода топлива. В статье подробнее рассмотрим топливные системы бензиновых и дизельных двигателей, а также узнаем, что такое линия возврата топлива (“обратка”) и зачем она нужна.

Альтернативное судовое топливо: сверим готовность к IMO Sulphur Cap 2020

Ограничения, вводимые IMO (Международная морская организация) на содержание оксидов серы в судовом топливе, неминуемо приближаются. Уже очевидно, что переход с высокосернистого мазута (3,5%) на дистиллят (содержания серы 0,5%) не будет одномоментным по всему миру и, определенно, добавит работы морякам.

Тем не менее, вносить поправки уже поздно (все изменения возможны только через МАРПОЛ VI); и Edmund Hughes, глава отдела загрязнения воздуха и энергоэффективности IMO, верит, что 96% судов, в основном крупные морские суда, будут соответствовать новым требованиям уже 1 января 2020 года.

Image Credits to Wallenius Wilhelmsen

Некоторые судовладельцы устанавливают на судах скрубберы и продолжат использовать высокосернистый мазут; некоторые, чтобы соответствовать требованиям, переключатся на мазут с низким содержанием серы. Между тем, есть и третий путь. Мы подготовили обзор альтернативных видов судового топлива, которые смогут заменить традиционный мазут. Они почти не выделяют SОx и позволяют значительно снизить выбросы других парниковых газов.

СПГ – топливо для морских судов

Скрубберы лидируют в подготовительной гонке технологий к IMO Sulphur Cap 2020, к октябрю 2019 года 3 023 судна были оснащены скрубберами или заказали их установку. Однако в лиге альтернативных видов топлива на первом месте находится сжиженный природный газ. По состоянию на февраль 2019 года в мире эксплуатировалось 143 судна, работающих на СПГ, и еще 135 находилось в стадии постройки.

Для использования сжиженного природного газа в судовом двигателе требуется умеренное количество модификаций. Тем не менее, существует целый ряд преимуществ и недостатков двигательной установки на СПГ:

Плюсы СПГ топлива

• Сжиженный природный газ является самым чистым топливом, поскольку производит наименьшее количество ПГ (парниковых газов).
• СПГ используется в качестве топлива для судов с начала 2000-х годов, поэтому технология уже достаточно отработана, и на рынке существует множество поставщиков. Конкуренция также способствует снижению цен.
• Кроме того, стоимость СПГ сопоставима с ценой традиционного горючего. Сжиженный природный газ пока не может конкурировать с мазутом из-за логистических и других затрат; однако, в отличие от других альтернативных видов топлива, СПГ станет полноценной заменой нефти в ближайшем будущем. По оценкам экспертов, доля СПГ достигнет 23% в общем объеме судового топлива к 2050 году (сейчас она около 0,3%).
• Поршневые двигатели, газовые турбины и расходные материалы к ним, а также специальные криогенные топливные системы для СПГ производятся в промышленных масштабах и свободно доступны.

Минусы СПГ топлива:

• СПГ имеет более высокую удельную энергоемкость по сравнению с мазутом, но энергоемкость на единицу объема составляет всего 43% от высокосернистого мазута. Поэтому топливные баки занимают в 3-4 раза больше места по сравнению с судами, работающими на традиционном горючем.
• Проблемы бункеровки. Общее нежелание внедрять двигатели на СПГ топливе в судоходную отрасль, было частично связано с логистическими трудностями. Сжиженный природный газ для судовых двигателей по-прежнему можно найти лишь в ограниченном количестве портов по всему миру, что не устраивает большинство игроков. Зачастую суда имеют длинные маршруты, в которых следующий пункт не определен заранее, а значит, топливо должно быть доступно в любом порту. Поэтому часто компании занимают выжидательную позицию относительно новых технологий.

Метанол – перспективное судовое топливо

Компания Waterfront Shipping недавно отпраздновала прибавление во флоте – два судна для перевозки метанола, работающие на двух видах горючего. Mari Couva и Mari Kokako имеют дедвейт 49 000 тонн, и будут использовать дизельное топливо и метанол, испытывая его возможности в качестве судового топлива.

Фактически, CH₃OH (метанол) занимает второе место после СПГ в рейтинге перспективных альтернативных видов горючего. Кроме того, у этого газа есть свои преимущества, делающие его более удобным для использования в морской индустрии:

• Метанол остается в жидком состоянии при температуре от –93 ° C до + 65 ° C (при атмосферном давлении), что исключает необходимость установки сложных криогенных систем удержания (стоимость топливной системы, использующей метанол, составляет примерно 1/3 от цены СПГ системы для судового двигателя).
• Может производиться из природного газа, угля и возобновляемых источников. Существуют технологии получения метанола непосредственно из вредных выбросов в атмосферу, что представляется наиболее перспективным в свете сокращения выбросов COx.
• Выбросы NOx зависят от типа используемого двигателя. В случае двухтактного дизельного двигателя будет наблюдаться снижение выбросов на 30% (по сравнению с высокосернистым мазутом), в то время как использование с четырехтактного двигателя снизит выбросы на 60%.

Image Credits to Tanker Shipping & Trade

Аммиак – новое топливо для судов

Голландцы C-Job Naval Architects недавно предложили концепцию танкера, перевозящего аммиак, который использует собственный груз в качестве топлива. Их исследования показали, что NH₃ может стать еще одним вариантом альтернативного судового топлива в случае принятия определенных мер безопасности. Основные выводы исследования таковы:

• Твердо-оксидные топливные элементы являются наиболее эффективной технологией выработки электроэнергии для аммиачного топлива, но есть некоторые практические проблемы (низкая удельная отдача энергии, реакция двигателя на нагрузку), а также высокая стоимость системы, которая препятствует ее превращение в рабочую модель.
• Аммиачное топливо не содержит углеродного компонента, следовательно, не выделяет COx. В то же время выбросы NOx поддерживаются на приемлемом уровне, поэтому оно является разумным выбором с точки зрения защиты окружающей среды.
• Безопасное обращение с аммиаком на судах, не предназначенных для перевозки NH₃ грузов, потребует установки сложного дорогостоящего защитного оборудования (детекторы, запорные клапаны для изоляции утечек, топливные системы с двойными стенками и т. д.)
• В то же время для аммиачного топлива не будет существовать проблем с бункеровкой, поскольку оно производится во всем мире и транспортируется через большинство портов.

Image Credits to C-Job Naval Architects

Корабли на водородном топливе

H₂ – еще один любопытный вариант альтернативного судового топлива, который рассматривается в настоящее время. Для использования на судах водород либо сжижается (криогенная жидкость имеет температуру -240° С), помещается в компрессионные резервуары, либо хранится в виде химического соединения.

В настоящее время H₂ получают из природного газа, а также путем электролиза. Последний можно проводить на солнечных и ветряных электростанциях одновременно с выработкой электроэнергии. Произведенный из возобновляемых источников энергии, водород становится одним из самых чистых видов топлива с нулевыми выбросами парниковых газов.

Наиболее эффективным генератором энергии для Н₂ являются топливные элементы. Мы описывали водородные топливные элементы в нашей статье «Судоходство 2030: новые технологии в морской индустрии». Производство водорода, так и топливных элементов хорошо развито, но они по-прежнему остаются неконкурентоспособными по цене с обычными судовыми двигателями.

Тем временем порт Антверпена заказал «Hydrotug», первый буксир, работающий на H₂. Они нашли компромисс, поэтому буксир будет использовать возможности водорода и двигателя внутреннего сгорания. Hydrotug сможет похвастаться ультранизким уровнем выбросов, так как сочетает в себе 2х-топливную технологию и сложный фильтр частиц.

Буксир будет построен компанией Compagnie Maritime Belge (CMB) в течение двух лет.

Image Credits to ShipInsight

Биотопливо

Вы когда-нибудь задумывались, что суда могут использовать в качестве топлива биодизель или биогаз? Морские инженеры в Норвегии и Нидерландах разрабатывают концепты, работающие на биотопливе из гидроочищенного растительного масла, метилового эфира жирной кислоты (FAME) или сжиженный биогаз. В основном это пассажирские суда, паромы, оффшорные и специализированные суда.

Основным компонентом биотоплива является метан, поэтому его поведение очень похоже на использование СПГ или метанола. Однако производство биогорючего в настоящее время обходится значительно дороже.

Ученые также предвидят определенные проблемы с бункеровкой. Сегодня биотопливо доступно только в некоторых портах Норвегии, Нидерландов, США и Австралии. Таким образом, эти проекты разрабатываются на местном уровне, но биогорючее уже включено в Оценку альтернативных видов топлива DNV GL, активно изучается и рассматривается как реальный вариант альтернативного судового топлива для кораблей будущего.

Классификация судового топлива

Судовое маловязкое топливо (СМТ) служит для заправки двигателей судовых энергетических установок. Его часто называют флотским соляром. По своим качествам СМТ значительно уступает дизельному топливу из-за малого цетанового числа (до 45) и высокой сернистости. Такое топливо не может использоваться в дизельном автотранспорте, так как велик риск повреждений топливной системы.

Классификация судового топлива включает множество критериев (по аналогии с ДТ), и если раньше основным параметром считалась вязкость, то сегодня, когда из-за увеличения глубины переработки нефти в топливо включаются тяжелые взвеси, для подтверждения качества необходима более детальная характеристика судового топлива.

Мировые нормы, в том числе и ГОСТ, устанавливают строгие требования к 4-м маркам судовых дистиллятных топлив и 11-ти – остаточных топлив. Они обозначаются буквенными символами с цифрой. Буквы соответствуют обозначению дистиллятов (DM) и остаточных мазутов (RM). Цифра показывает максимальное значение вязкости при 50⁰С.

По степени ухудшения качества дистиллятные сорта располагаются так: DMX, DMA, DMZ, DMB. Сорт DMX наиболее приближен к характеристикам дизельного топлива и считается его аналогом.

Широко распространены зарубежные стандарты на судовое топливо такие, как ISO, BSI, CIMAC. Они регламентируют на топливо судовое маловязкое основные параметры:

1. Вязкость топлива.

Характеризует внутреннее трение, способность сопротивляться движению частиц. Вязкость влияет на сгорание СМТ и бесперебойную работу топливной системы. Вязкость топлива снижается при подогреве.

Пределы нормы кинематической вязкости составляют от 1,4-5,5 мм2/с1 для марки DMX до 11,0 мм2/с1 для DMB.

2. Содержание серы.

Превышение количества серы в топливе вызывает повышенную коррозию деталей топливной системы. Сернистость судового топлива выше, чем дизельного, что делает неприемлемым его применение в двигателях автомобилей.

По сернистости выделяют следующие виды СМТ:

1. до 0,5% — топливо для дизельных генераторов;
2. до 1% — для бытовых нужд, питания с/х установок;
3. до 1,5% — судовое топливо ТУ 38.101567 для котлов отопления.

Нормы определяют наличие серы не более 1% для марки DMX, не более 1,5% — для DMA, DMZ и не более 2% для DMB.

3. Плотность.

Плотность характеризует фракционный состав, испаряемость и химические свойства топлива. При сепарационном очищении топлива разница в плотностях позволяет отделить его от воды.

Нормы плотности СМТ при температуре 15⁰С составляют 0,890 — 0,900 кг/куб. м.

4. Коксуемость.

Твердый остаток от сжигания топлива – показатель коксуемости. Его величина говорит о проценте неполного сгорания топлива. У дистиллятных марок СМТ он низкий (0,3 – 0,5%), а у остаточных доходит до 22%. Показатель коксового остатка прямо пропорционален плотности и обратно пропорционален качеству топлива.

5. Зольность.

Содержание золы обусловлено наличием несгораемых примесей. Часто это естественные элементы добытой нефти, но еще чаще они появляются в процессе перегонки, при длительном хранении и перевозке топлива. Для легких дистиллятных сортов массовая доля золы установлена не более 0,1%, а для тяжелых остаточных – не более 0,2%.

Судовое маловязкое топливо не должно иметь в своем составе неорганических кислот, отработанных смазочных масел, биокомпонентов, дополнительных примесей и механических отходов. Соответствие топлива требованиям мировых стандартов важно для безопасной эксплуатации судов, здоровья персонала и защиты окружающей среды.

Что входит в топливную систему дизельного двигателя

Для большей наглядности механизма действия дизеля необходимо рассмотреть основные элементы топливной системы. Это позволит лучше понять, за счет чего достигается настолько эффективная работа двигателя.

Топливный бак

Предназначен для размещения и хранения дизельного топлива, которое часто называют просто – соляркой. Соединяется с топливной системой посредством трубопроводов. Ключевые требования к баку – прочность, надежность и вместимость. Последний параметр определяет максимальную дальность поездки, но регламентируется итоговой массой топливной емкости, которая зависит от грузоподъемности транспортного средства.

Магистральные топливопроводы

Назначение – перемещение солярки из бака в часть топливной системы низкого давления. Транспортировка происходит с применением ТННД. Основные требования к топливопроводам – герметичность и бесперебойная работа, которая достигается за счет отсутствия осадков на внутренней поверхности стенок труб.

Топливоподкачивающий насос

Другое часто используемое название – топливный насос низкого давления или ТННД. Единственная функция устройства – забор топлива и его последующее перемещение к фильтрам грубой и тонкой очистки. После этого очищенное горючее направляется в отсек высокого давления, а дальнейшая транспортировка осуществляется посредством ТНВД.

Фильтры очистки

Топливный фильтр – это важный элемент современных дизельных моторов. Чистота и качество используемой солярки оказывают непосредственное влияние как на КПД, так и на срок эксплуатации дизеля. Именно поэтому горючее – даже самое качественное — в обязательном порядке проходит очистку, как минимум, двумя фильтрами.

Топливный насос высокого давления (ТНВД)

Обеспечивает перемещение солярки в отсеке высокого давления. Сначала горючее поступает по трубопроводам от фильтров к форсункам. Затем происходит его распыление и впрыскивание в камеру сгорания. Характерной особенностью дизелей выступает подача топлива с запасом.

В результате излишки отводятся вместе с воздухом, не попавшим в камеру сгорания, в бак по специальному трубопроводу, который называется дренажным. Ключевой функцией ТНВД выступает нагнетание давления топлива, необходимого для самовоспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания. Без точного выполнения этого условия невозможно добиться требуемой эффективности работы всего двигателя.

Именно поэтому стоимость топливного насоса высокого давления составляет значительную часть цены силового агрегата. Она также объясняется достаточно серьезной сложностью конструкции ТНВД, которая предусматривает наличие нескольких составных элементов.

В их число входит как современная автоматика, управляющая работой устройства, так и большое количество комплектующих – от вращающегося вала с кулачками до поршня-плунжера, обеспечивающих эффективность двухступенчатой процедуры впрыска топлива в камеры сгорания.

Форсунки

Не меньшее значение для достижения необходимого уровня КПД дизеля имеет еще один элемент топливной системы – топливные форсунки, которые установлены на каждом цилиндре двигателя. Их функциональное предназначение – смешивание горючего с воздухом в нужной пропорции с последующим точным дозированием смеси, поступающей в камеру сгорания.

Оно достигается за счет специальных распределителей, позволяющих не только дозировать нужный объем горючего, но и распылить его в процессе прохождения через форсунку. Именно за счет этого активируется процесс самовоспламенения и последующего сгорания топливовоздушной смеси.

Современные дизели обычно комплектуются форсунками с двумя типами распределителей – шрифтовыми или многодырчатыми. Независимо от конструктивных различий, речь идет об эксплуатации в очень сложных и тяжелых условиях. Они выражаются в непосредственном контакте с камерой сгорания и, как следствие, серьезных нагрузках от воздействия высоких температур и давления.

Еще одним обязательным требованием к форсункам становится обеспечение герметичности конструкции при одновременной необходимости совершения иглой распылителя возвратно-поступательных движений.

Добиться выполнения обоих условий удается только при очень высокой точности изготовления отдельных деталей, причем в качестве сырья используются специальные сплавы. Они обладают повышенными характеристиками в части прочности и жаростойкости.

На все случаи жизни

Выбирая то, каким топливом заправить свое судно, судовладелец руководствуется несколько иными критериями, нежели автолюбитель. Более того, часто заливает не одно, а сразу несколько видов. Конечно, характеристики двигателя имеют значение, однако силовые установки судов, как правило, приспособлены для использования разного горючего. Куда более важный критерий — в какие воды направляется судно. Так, например, в зонах особого контроля за выбросами серы (SECA) в соответствии с Международной конвенцией по предотвращению загрязнения с судов (MARPOL) с 1 января 2015 года действуют жесткие ограничения: содержание серы в судовом топливе не должно превышать 0,1 %. К этим зонам сегодня относятся Балтийское и Северное моря, а также Атлантическое и Тихоокеанское побережья США и Канады. Это значит, что использовать обычный мазут в этих регионах нельзя. Допустимо лишь более дорогое и экологичное топливо — СМТ или КСТ. Однако после выхода в открытый океан судно переходит на мазут — все-таки он заметно дешевле, а расход топлива на судне исчисляется десятками тонн в сутки.

Тяжелые мазуты хорошо выполняет свою функцию после выхода судна из порта, когда оно движется полным ходом. Если же возникает потребность в совершении маневров и, соответственно, быстрой смене режимов работы главного двигателя, его переводят на более легкое топливо, причем делают это заранее, чтобы промыть топливную систему от тяжелого и вязкого мазута.

Устройство системы и принцип ее работы

В наше время существует несколько различных топливных систем, состоящих из следующих общих узлов:

1. Топливный бак, в котором хранится горючее. Как правило, он расположен внизу кузова в задней части машины. Бак может быть разного объема, но в большинстве случаев он может обеспечить езду авто на 500 км;
2. Топливный насос, который отвечает за подачу горючего в другие элементы и поддерживает давление, необходимое для работы всей системы;
3. Датчик уровня топлива. Конструкция датчика проста и представляет собой механизм, состоящий из поплавка и измерительного устройства (потенциометра). Перемещение поплавка приводит к изменению сопротивления в электрической цепи и снижению напряжения на указателе запаса горючего;
4. Топливный фильтр, отвечающий за очищение горючего от примесей, ржавчины и пыли;
5. Топливопроводы, подающие топливо в двигатель и сливающие лишнее горючее обратно в бак;
6. Система впрыска — устройство, обеспечивающее смешивание горючего и воздуха и дальнейшее его поступление в камеру внутреннего сгорания.

Схема работы топливной системы довольно проста. При включении системы зажигания начинает работу топливный нанос, который закачивает горючее из бака в другие элементы системы. По мере прохождения топлива происходит его очистка, затем оно попадает в систему впрыска, в которой происходит образование смеси горючего с воздухом. В результате эта смесь оказывается в камере сгорания, где она зажигается, и двигатель получает необходимую для перемещения автомобиля энергию. Этот цикл повторяется по мере движения машины.

Работа топливной системы автомобиля

Все рассмотренные элементы работают в следующей последовательности. в момент запуска двигателя, а на некоторых машинах в момент открытия водительской двери, начинает работать топливный насос, создавая необходимое рабочее давление в топливной системе, необходимое для подачи топлива к двигателю.

В момент прохождения топливного фильтра или системы фильтров, по пути к двигателю, топливо очищается от различных механических примесей. Воздух, поступает к камере сгорания или карбюратору через воздушный фильтр, где так же очищается.

В зависимости от конструкции двигателя топливо-воздушная смесь может готовиться как непосредственно внутри камеры сгорания цилиндра двигателя, так и до попадания в цилиндр, например, в карбюраторе. Возможен так же комбинированный способ приготовления топливо-воздушной смеси.

После того, как топливо-воздушная смесь готова и поступила в камеру сгорания, происходит ее воспламенение. Для продолжения работы двигателя требуется постоянная подача все новых порций топлива, за что и отвечает топливная система.