Да, построить такой двигатель возможно, ведь, на Рисунке 1 именно он - SCE920 (Single Cylinder Engine) - Одноцилиндровый двигатель с диаметром цилиндра 920 мм, построенный совместными усилиями компаний Win GD и Китайской Государственной Двигателестроительной корпорацией CSSC. Это полноценный крейцкопфный дизель с системой управления, автоматизированным пуском-реверсом и даже системой газо-турбонаддува, а так-же возможностью оснащения его каталитическим реактором для соответствия нормам главы VI МАРПОЛ.
Что он может
При своих нескромных габаритах, а при диаметре поршня 920 мм его ход составляет 3468 мм, он способен выдавать 8000 кВт на дистиллятном топливе или 5870 кВт на метаноле. Все это на частоте вращения коленчатого вала 80 оборотов в минуту, среднем эффективном давлении 26 бар (19,1 для метанола) и максимальным давлением сгорания 250 бар. Запускается он без перебоев, хотя, казалось-бы... при пуске даже 5-ти цилиндровых двигателей возникают проблемы из-за наличия "мертвых положений коленвала", а тут один цилиндр... Давай разбираться.
Динамика и баланс
Наверное, это основная проблема. Имея базу в виде двигателя X92-B, этот одноцилиндровый образец имеет три мотылевые шейки. Цилиндр один, а шеек три. Это для баланса.
Поршень работает со средней шейкой, а на первой и третьей изначально были шатуны и механизмы крейцкопфа, что должны были уравновешивать двигатель, но от них позже отказались. При угле заклинки коленвала 120 градусов (смотри Рисунок 2) силы и моменты, действующие на вал велики в принципе. Но, как оказалось, если снять крейцкопфы с первого и третьего цилиндра, то скручивающие вал моменты уйдут, а силы, действующие на него возрастут некритично (в пределах прочности имеющихся конструкций постели, картера и остова. Для уравновешивания единственного поршня понадобилось 55-ти тонное маховое колесо с моментом инерции 300 000 кгм2, причем его прошлось разделить и повесить с разных сторон вала и более увесистую часть назвать "настроечным колесом". Противовес, получается... Подшипнички пришлось взять шире тех, что стоят на базовом X92-B, чтобы снизить удельную нагрузку на шейку.
Топливо, гидравлика
Организовано тут все как на классическом двигателе серии X, или RT-flex: топливная система "коммон рейл", управление выпускным клапаном и топливными форсунками - гидравлическое электронное. Вот только объем аккумуляторов (рейлов) пришлось подбирать специфически. Основной фактор при выборе объема - величина просадки давления при работе на номинальном режиме. Для нормальной работы такого дизеля объем топливного рейла должен быть 48 литров, а масляного 120, что при пересчете на многоцилиндровый двигатель сильно больше обычного.
С гидравлической системой пришлось поработать глубже и поднять давление с 200 до 300 бар, чтобы гарантировать нормальную работу выпускного клапана в номинальном режиме. А для этого потребовалось усилить имеющиеся конструкции аккумулятора (рейла), гидравлической трубы и актуатора.
Навесной насосной станции (саплай юнита) на этом двигателе нет, его установка иррациональна. Поэтому топливные и масляные насосы высокого давления приводятся от автономных электродвигателей, что упрощает конструкцию и повышает стабильность работы.
Что в итоге получилось по стабильности давления?
Максимальная просадка давления топлива - 8,9%, а масла 10,7%, что соответствует таковым показателям для многоцилиндровых дизелей.
Воздух - газы
Остов этого "малыша" отлит из чугунины, как и для серийных двигателей, например X92-B, хотя, обычно, тестовые и экспериментальные двигатели имеют стальной остов. Сталь можно качественно варить. Но у SCE920 верхняя плита (обозначена красным на Рисунке 7) отличается нестандартной толщиной в 300 мм.
Выпускной коллектор и продувочный ресивер для одного цилиндра выбраны как для трех цилиндров, чтобы сгладить флуктуации давления. А еще, выпускной коллектор имеет больший диаметр, чем серийные двигатели с таким-же диаметром цилиндра.
С наддувом дела обстоят особенно тяжело с точки зрения проектирования. Максимальная мощность 8МВт, цилиндр всего один, а на долевых нагрузках мощность на валу менее 1 МВт. Система воздух - газы на этом двигателе чуть сложнее, чем мы привыкли.
Клапан настройки давления имитирует противодавление в выпускном тракте, клапан сброса не дает турбокомпрессору помпажировать на высоких нагрузках. На этом этапе понятно, что в такой компоновке двигатель точно является экспериментальным, точнее, испытательным стендом.
Цилиндро-поршневая группа
Параметры работы выше обычного, поэтому и самые напряженные узлы должны быть соответствующими. Если помнишь, то давление гидравлического масла на 100 бар выше обычного, а среднее эффективное давление достигает 26 бар на максимальной нагрузке.
Стенки крышки и фланец втулки существенно толще обычного, камера сгорания сформирована поршнем и крышкой цилиндра, что этому производителю несвойственно исторически. Если поршень заходит частично в цилинидровую крышку, образуя камеру сгорания, такая камера называется полуколпачковой. Исторически по этому пути идет компания МАН. Это обусловлено тем, что цилиндровая крышка, выполненная из стали, лучше справляется с удержанием давления, чем чугунная втулка при тех-же толщинах металла.
Интересно то, что кнострукцию фундаментной рамы и картера позаимствовали у серийных двигателей серии "Х", и они удивительно хорошо переносят несвойственные им нагрузки. Смотри ниже, ни одного даже желтого пятнышка при сумуляции нагрузки. Тут чем теплее цвет - тем сильнее нагрузка.
Как это пускать?
Самое интересное. Дело в том, что при такой компоновке поршень всегда останавливается в одном и очень неудобном для пуска положении - примерно 120 градусов после ВМТ. Если повернуть его валоповоротным устройством до нужного для пуска воздухом положения (~12 градусов после ВМТ) то при расцеплении валоповоротного устройства поршень вернется в то положение, в котором ему "удобнее". Что делать?
На Рисунке 11 все, что установлено после махового колеса и есть пусковая система.
Коленчатый вал раскручивается электродвигателем с регулируемой частотным преобразователем частотой вращения через редуктор, а плавное введение в зацепление и вывод из него осуществляется гидравлической муфтой. До пусковых 45 оборотов в минуту система разгоняется примерно за 60 секунд. При этом выпускной клапан остается открытым до момента достижения нужного числа оборотов и только после этого начинает закрываться, а 55-ти тонный маховик по иннерции "догоняет" поршень в ВМТ, незадолго до достижения которой и происходит первая подача топлива.
Вспоминай характеристики, о которых уже было сказано. Двигатель может работать на метаноле, и именно для оптимизации работы на нем двигатель оснащен системой изменяемой геометрической степени сжатия.
Про эту систему я уже писал ВОТ ТУТ, но напомню, что компания Win GD идет по пути подачи газа в цилиндр на линии сжания и сжимается уже смесь, так что пережимать ее опасно, а если изначально сделать степень сжатия оптимальной для работы на газе, то при переходе на дистиллятное топливо работа будет неэкономичной и даже нестабильной. Регулировать степень сжатия запаздыванием закрытия выпускного клапана на сжании означает потери в том числе и поданного в цилиндр метанола.
Работа в двутопливном режиме
Кто-бы что ни писал и какие-бы на сегодняшний день рациональные доводы не приводил, а развитие метанольного и аммиачного направлений продолжается. Даже учитывая то, что практически весь метанол производится из ископаемого или пригодного в пищу сырья, технология разрабатывается и внедряется.
На чистом метаноле работать не получится, ведь как-то поджигать его нужно, для чего в цилиндр и отправляется запальная порция топлива. Полностью метанольный режим подразуемвает 95% метанола и оставшиеся 5% приходятся на дистиллятное или тяжелое топливо.
Да, давление на метаноле ниже, но зато горит он быстрее и при правильной организации рабочего процесса сгорает полностью. Смотри на нижнюю часть графика: метанолу нужно немного времени, порядка 3~4 градусов ПКВ для прогрева, после чего температура в цилиндре лавинообразно нарастает. Но динамика работы при этом ниже, чем на дизеле. Это, наверное, не очень хорошо, так как растет тепловая напряженность, но это работает и работает хорошо.
Отсебятинка
Одноцилиндровый двигатель на судне в качестве главного - звучит странно, хоть этот SCE920 точно можно пустить в серию, ведь, все детали за небольшим исключением берутся с конвейера, выпускающего серийные машины. Но вот в качестве привода дизель-генератора с ходом поршня поменьше и двумя цилиндрами, почему бы и нет. Удельный расход топлива крейцкофпной машины ниже, чем тронковой, ресурс выше. Что думаешь на этот счет?
Оригинал статьи ты можешь найти ВОТ ТУТ, в моей Телеграм библиотеке.