С. А. Клюев – ОАО «Волжский дизель им. Маминых»

Применение продукции отечественного двигателестроения позволяет снизить стоимость реализации энергетических проектов и оптимизировать расходы на всем протяжении жизненного цикла оборудования. Газопоршневой двигатель 490ГД является простым и дешевым в обслуживании агрегатом, способным работать на всех видах горючих газов.

Компания «Волжский дизель им. Маминых» начала серийное производство газопоршневого двигателя 490ГД. Он предназначен для привода различных агрегатов: электрических генераторов, водяных и нефтяных насосов, воздуходувок, газовых компрессоров и т.д. В качестве топлива могут использоваться различные виды газов: природный, попутный, генераторный, биогаз и др.
Двигатель 490ГД – 8 цилиндровый, рядный (L образное расположение). Такая компоновка имеет преимущество перед двигателями с V образным расположением цилиндров при обслуживании их в передвижных контейнерах (ширина которых обычно 2,5…3,0 м), обеспечивая свободный проход для обслуживания двигателя.
Диаметр поршней – 210 мм с ходом 260 мм при частоте вращения коленчатого вала 1000 об/мин (среднеоборотный двигатель). Ресурс двигателя составляет 80000 моточасов до капитального ремонта благодаря низкой скорости поршня и низкой частоте вращения коленчатого вала.
Двигатель 490ГД способен вырабатывать до 850 кВт электрической и 950 кВт тепловой энергии (от системы утилизации тепла выхлопных газов и системы охлаждения двигателя). Основой рабочего процесса является форкамерно-факельное зажигание. При таком типе зажигания источником воспламенения рабочей смеси в цилиндре являются шесть факелов, выходящих из распылителя форкамеры.
Объемный источник воспламенения рабочей смеси позволяет поджигать в цилиндре бедные смеси (λ = 1,8…2,0), при сгорании которых детонация в цилиндре на всех режимах отсутствует. Это очень важно при работе на попутном нефтяном газе (ПНГ), который имеет низкое метановое число и высокую теплоту сгорания. В реальных условиях двигатель работает без детонации и снижения мощности на ПНГ с метановым числом WKI > 49.
Внутреннее смесеобразование (фазированный впрыск газа в цилиндры) позволяет организовать продувку цилиндров наддувочным воздухом. Это снижает температуру выхлопных газов и способствует интенсивному охлаждению выхлопных клапанов и повышению их ресурса. Для сравнения: в зимнее время температура отработанных газов после выхлопных клапанов опускается до 380 °С, тогда как у двигателей с внешним смесеобразованием (без продувки цилиндров) она достигает 680 °С.
Таким образом, сжигание бедных смесей ПНГ и воздуха позволяет работать без детонации с мощностью, которая почти в полтора раза больше, чем у двигателей, работающих на смесях λ = 1,2…1,4, – обычно они имеют внешнее (карбюраторное) смесеобразование и искровое зажигание.
Работа на бедных смесях способствует очень низкому образованию на выхлопе оксидов азота – NO_x. Это связано с тем, что азот, содержащийся в большом количестве в бедной смеси, является самым сильным антидетонатором и имеет большую теплоемкость, что приводит к низким температурам процесса сгорания и малому образованию NО_x и СО₂. Уровень содержания вредных веществ не требует установки на выхлопе дорогостоящего катализатора выхлопных газов.
В конструкции крышки цилиндров установлен механизм поворота выхлопных и впускных клапанов. При работе двигателя на режиме, близком к номинальному, температура поверхности клапанов неодинакова, так как вход и выход газов имеют одно направление. Неравно мерная температура поверхности клапана приводит к его деформации (искривлению оси) и, как следствие, к неравномерному давлению тарелки клапана на седло и износу со стороны низкой температуры. После длительной работы на таком режиме клапан после остывания уже не обеспечит герметичности, и запуск двигателя будет невозможен.
Таким образом, при установке механизма поворота клапанов в крышке цилиндра двигатель способен работать на больших нагрузках без сбоев.
В двигателе 490ГД используются втулки цилиндров с антинагарными кольцами в верх ней части и поршневые кольца известных европейских производителей. Они отличаются высокой точностью изготовления и длительным ресурсом, что обеспечивает минимальный расход масла на угар в процессе всей эксплуатации двигателя. Благодаря этому удалось достичь стабильного расхода масла на угар и довести его до 0,2 г/кВт•ч.
При низком расходе масла на угар на седлах выхлопных клапанов образуется минимальное количество жестких отложений продуктов сгорания сульфатных присадок, содержащихся в масле. Такие отложения приводят к появлению микроскопических углублений на сопрягаемых поверхностях тарелки и седла, накоплению их в одном месте с последующим образованием раковины, через которую происходит прорыв газов и, как следствие, прогар выхлопного клапана.
Таким образом, применение специального моторного масла с низким содержанием сульфатной золы и минимальный расход масла на угар исключают прогар выхлопных клапанов в процессе эксплуатации двигателя на больших нагрузках.
Антинагарное кольцо, установленное в верхней части втулки цилиндра, предназначено для постоянного удаления нагара с верхней части поршня. В результате не возникает контакта нагара со стенкой втулки цилиндра и устраняется стирание нагаром масляной пленки со стенок втулки цилиндров, что исключает «сухое» трение, которое приводит к местному перегреву поверхности втулки цилиндров (прижог) и задиру поршней.
Двигатель способен работать с 50 % м набросом мощности с нулевой нагрузки и минимальной 10 %-й нагрузкой без ограничения во времени. Для стабильного процесса сгорания установлена мощная высоконадежная система зажигания и имеющие высокий ресурс свечи фирмы Denso. Высокий ресурс свечей зажигания (5000 ч) достигается их интенсивным охлаждением и, соответственно, низкой температурой корпуса свечи. Применение специального металла корпуса форкамеры, а также организованная схема охлаждения обеспечивают низкую температуру свечи.
На двигателе установлен электронный регулятор скорости, поддерживающий стабильную частоту вращения (в пределах ±1 об/мин) коленчатого вала.
Стабильная работа двигателя обеспечивается процессом сгорания с обратной связью по пределу горения топливной смеси. В обратной связи нет никаких сложных электронных и механических систем управления качеством смеси. Двигатель сам подбирает оптимальную смесь на любом составе топливного газа, на пределе горения – таким образом, она всегда является максимально бедной. В этом случае нет необходимости настраивать топливную систему при изменении состава газа: двигатель сам корректирует процесс сгорания.
Ярким доказательством этому стал случай остановки в Хабаровском крае газового двигателя известной зарубежной фирмы по причине изменения состава попутного газа, в то время как установка с двигателем 490ГД продолжала работать, что вызвало немалое удивление и достойную оценку обслуживающего персонала обеих электростанций.
Двигатель способен работать при температуре входящего газа от –50 °С до +80 °С и атмосферного воздуха от –50 °С до +40 °С. Более низкие температуры воздуха и газа способствуют лучшему охлаждению камеры сгорания и увеличивают ресурс выхлопных клапанов. У многих импортных двигателей с внешним смесеобразованием при температуре воздуха и газа ниже +5 °С смеситель газа замерзает, и двигатель останавливается – тогда приходится нагревать воздух и газ.
В период эксплуатации необходимо периодически, через каждые 5000 часов, регулировать только специальные зазоры в газовом и форкамерных клапанах. Тепловые зазоры в механизме газораспределения автоматически регулируются гидрокомпенсаторами. Таким образом, обслуживание двигателя осуществляется через 5000 часов, кроме периодов замены масла (замена масла возможна через 3000…5000 моточасов).
В настоящее время на предприятии ведутся работы по исключению затратной операции замены масла в эксплуатации, и тогда пополнение масла будет обеспечиваться только за счет естественного расхода на угар.
Как дополнительная опция к агрегату, с двигателем может поставляться система утилизации тепла выхлопных газов и системы охлаждения отечественного производства. Автоматика двигателя имеет все необходимые защиты и возможность дистанционного управления. В комплект поставки включены все необходимые комплектующие для эксплуатации (радиатор, высокоэффективный глушитель выхлопа, шкаф управления и др.).
На протяжении всего существования завода «Волжский дизель им. Маминых» было выпущено более 10000 дизелей (на базе которых изготовлен и двигатель 490ГД). Эти дизели установлены на маневровых тепловозах и силовых агрегатах буровых установок. В России и странах СНГ существует развитая сеть поставки запасных частей на основные детали дизелей, выпускаемых предприятием. В результате заказчик оперативно обеспечивается необходимыми деталями, и время про стоя оборудования сводится к минимуму.
Основная причина простоя вышедших из строя импортных двигателей – отсутствие быстрой доставки запасных частей в связи с долгими разбирательствами по определению виновника аварии. Значительную часть затрат при обслуживании таких двигателей составляет высокая стоимость импортных запчастей, а также стоимость нормо-часа зарубежных специалистов, которая доходит до 1000 евро в сутки.
В монтаже, пусконаладке и запуске агрегата 490ГД участвует бригада специалистов предприятия. При этом стоимость нормо-часа для заказчика составляет не более 20 евро в сутки. В настоящее время газовые двигатели ВДМ имеют наработку в эксплуатации более 35000 моточасов без серьезных замечаний. Таким образом, газопоршневой двигатель 490ГД является простым и дешевым в обслуживании агрегатом, который имеет следующие преимущества:
•    простота конструкции и полная уравновешенность;
•    возможность работы на всех видах горючих газов в самом широком диапазоне темпера тур газов и окружающего воздуха;
•    полное отсутствие детонации и перегрева мотора благодаря особому типу внутреннего смесеобразования;
•    доступность и дешевизна запасных частей распространенного тепловозного дизеля 6ЧН 21/21, на базе которого создан газовый двигатель 490ГД;
•    не требуется специального обучения персонала при эксплуатации и техническом обслуживании двигателя.
И, наконец, главное достоинство: двигатель сделан в России отечественными специалистами и имеет оптимальные характеристики для эксплуатации в различных условиях.