🌍БАЗА
Метанол. Интересная для судовладельцев субстанция в качестве топлива. Метанол совершенно не содержит серы, поэтому позволяет заходить в любые зоны с ограничением выбросов, а еще он жидкий при нормальных условиях, что облегчает его хранение на борту. "Зеленые исследователи" говорят, что метанол в промышленных масштабах можно изготавливать из биомассы (сильно сомневаюсь, что подобное производство покроет хоть четверть того, что потребляет мировой торговый флот).
Еще сильнее современных судовладельцев мотивирует задуматься о метаноле в качестве основного топлива тот факт, что в соответствии с решением Международной Морской Организации, суда, построенные после января 2013 года должны соответствовать EEDI (Energy Efficiency Design Index). Это серьезно влияет на постройку новых судов.
Про EEDI я уже подробно писал в СТАТЬЕ про обновления МАРПОЛ.
Так уж сложилось, что при сжигании природного газа, сжиженного природного газа и метанола в так нужную и так ценимую нами атмосферу попадает меньше диоксида углерода. А еще, метанол можно получать несколькими путями: как ископаемый ресурс и как продукт переработки биомассы. И, хоть "био" метанола несоизмеримо мало, эту жижу можно смешивать с добываемым метанолом, и все это прекрасно смешивается и не "конфликтует" друг с другом. А это, в свою очередь, - сильный задел на будущее, когда мы научимся добывать больше полезного в хозяйстве метанола из чего-нибудь еще. Просто будет бесшовный переход с одной технологии на другую.
Суда с двигателями, работающими на метаноле (ME-LGI) уже заказаны некоторыми компаниями пробными партиями. Среди заказчиков имеются: Mitsui Osaka Lines (тут я работаю с 2013-го года по настоящее время (2023)), Marinvest, Westfall Larsen.
🌍ТЕХНИЧЕСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ
На Рисунке 1: Sealing oil for lubricating, cooling and sealing of the valve - масло для смазки, охлаждения и уплотнения, Hydraulic in from external valve (300 bar) - гидравлическое масло (300 бар) от внешнего источника, Hydraulic oil out - выход гидравлического масла, Slide valve - распылитель типа "слайдер", MeOH - метанол, MeOH fuel valve - клапан подачи метанола, MeOH 8 bar supply pressure - подача метанола 8 бар, MeOH boosting & injection (500 bar) - впрыск метанола (500 бар).
Отлично, появились картинки. Посмотри на Рисунок 1. Ничего не напоминает? Насос-форсунка, может быть? Конструкция насос-форсунки считалась тупиковой из-за сложности исполнения, но прекрасной из-за отсутствия нагнетательного трубопровода, что исключает задержку впрыска на наращивание давления в трубе высокого давления. На сегодняшний день сложность конструкции каждой отдельно взятой форсунки нивелируется гидравлическими системами. Да, гидравлику люди освоили очень хорошо и на сегодняшний день делать гидравлику - относительно просто и дешево.
Метанол подводится к форсунке под давлением 8 бар и сжимается гидравлическим бустером до давления 550 бар. 550 бар - это давление впрыска, давление открытия форсунки должно быть ниже раза в полтора.
Метанол при нормальных условиях представляет собой жидкость, что облегчает работу с ним в сравнении с газом, например. Но вот температура вспышки метанола - 11 градусов, что сильно ниже разрешенных конвенцией СОЛАС - 60. Да, конвенция запрещает использование такого топлива в машинном отделении, но, если трубопроводы метанола будут выполнены по системе "двойной стенки", тогда уже можно. На этом этапе технология такая же, как и с газом.
На Рисунке 2 концепт 500 миллиметрового в диаметре цилиндра с бустерным блоком на две форсунки. Все трубы, проложенные в машинном отделении имеют две стенки с вентилируемым пространством между ними.
Метаноловая форсунка должна охлаждаться, чтобы температура ее на поднималась выше 60, что связано со спецификой топлива. Помимо этого подвижные детали необходимо смазывать, так как смазывающая способность метанола - около нулевая. Масло, подаваемое в форсунку под давлением 50 бар, охлаждает форсунку, но как быть со смазкой и уплотнением? И что это за уплотнение такое? В классической топливной форсунке между прецизионными деталями топливной арматуры всегда присутствует тонкий слой впрыскиваемого топлива, что в незначительных количествах просачивается в систему отвода протечек. В случае с метанолом в качестве смазывающего и уплотняющего используется масло, а не топливо (метанол). Технически сложность заключается в том, что давление смазывающей среды должно быть не ниже, чем давление метанола, иначе, последний будет попадать в масляную систему. Решение простое - в качестве смазывающего и уплотняющего масла нужно использовать масло высокого давления из гидравлического бустера. Смотри на Рисунок 3.
Стоит заострить внимание на гидравлической системе. Дело в том, что масло, соприкасающееся с метанолом, не должно пересекаться с остальным маслом из соображений безопасности. Система масла высокого давления, работающего в бустере - замкнута и в ней имеются детекторы метанола, завязанные на систему мониторинга и защиты.
При превышении концентрации метанола в масле двигатель переводится на обычное дистиллятное топливо, масло заменяется чистыми системным и дальнейшая работа на метаноле возможна только при устранении утечки метанола. Для организации такого защитного алгоритма предусмотрена отдельная группа клапанов.
Возможные утечки метанола из системы трубопроводов отслеживаются другой системой. Пространство между трубами продувается воздухом в систему детекторов метанола. При превышении концентрации паров метанола в продуваемом межтрубном пространстве двигатель будет переведен на дистиллятное топливо.
Все переходы с одного сорта топлива на другой происходят плавно и без потери питания или снижения мощности.
🌍КОРРОЗИЯ И ФОРМАЛЬДЕГИД - НЕ ПРОБЛЕМА
Метанол довольно агрессивен по отношению к металлам, но, не смотря на это, повышенного износа цилиндро-поршневой группы не наблюдается. Честно скажу, что горизонт наблюдения пока еще слишком мал; люди годами устанавливали причинно-следственные связи в простейшем процессе под названием "низкотемпературная коррозия".
Даже в рекламном проспекте, первоисточнике этого тематического перевода указано, что подбор необходимого цилиндрового масла - процесс экспериментальный.
Формальдегид. При незамысловатых манипуляциях с метанолом при температуре 400 - 600 градусов из него получается не самая полезная для нашего здоровья субстанция - формальдегид. Производитель уверяет, что гарантирует полное сгорание метанола при максимальной температуре сгорания 1300 градусов, что исключает формирование формальдегида в выпускном тракте двигателя. Это они еще не слышали про режим маневрирования и режим малых нагрузок; но, скорее всего, на этих режимах двигатель просто работает на дистиллятном топливе.
🌍ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МЕТАНОЛА
На Рисунке 4: Fuel valve train - клапанный блок, Methanol supply system - система подачи метанола, Methanol service tank - расходная система с метанолом, ME-LGI engine - двигатель, работающий на метаноле, Methanol cargo fuel pump - грузовой насос метанола.
Задача метаноловой системы не отличаются от таковых для классических видов топлива. Система должна "уметь" хранить топливо, подготавливать его к использованию, направлять к нужному потребителю. Ты, наверное, уже догадался, что подобные системы ставятся на танкеры, перевозящие метанол; поэтому танков запаса просто нет, для расходования используется груз. Часть груза направляется грузовым насосом (на практике, думаю, будет отдельный насос) в расходный танк, откуда его в систему через блок клапанов направляют питательные насосы.
Система подачи метанола работает под давлением 10 бар, что исключает его вскипание и кавитационный износ деталей топливной арматуры. В отличие от флотских мазутов для метанола можно выбрать низкую кратность циркуляции, равную 2-3 (то есть один объем топлива сделает 2-3 круга по системе и полностью израсходуется), так как не нужно переживать за повышение вязкости. Тем ни менее, теплообменники тоже в системе предусмотрены, как подогреватель, так и охладитель.
Клапанный блок довольно сложен, поскольку не только ответственен за подачу метанола в систему, но и за переход с одного вида топлива на другой. Помимо этого в клапанный блок интегрирована система продувки трубопроводов азотом, все в рамках безопасного использования специфического топлива.
Резюме. Люди ищут новые источники энергии для ДВС, концептуально не меняя сам ДВС, что говорит об актуальности подобного устройства преобразования энергии сегодня и в обозримом будущем. Что-то новое всегда воспринималось в штыки, всегда находились ярые противники с сотнями лозунгов "против" и даже на задумывались о "бенефитах". Опыт эксплуатации подобных систем покажет их жизнеспособность, вскроет недостатки и позволит сделать более однозначный вывод, а пока... просто наблюдаем).
Поддержать проект можно на сервисе бусти: https://boosty.to/sharapovmechanik/donate
Все мои проекты по этой ссылке: https://boosty.to/sharapovmechanik/donate