Дизель-электрика: плюсы и минусы.


Гибридные и полностью электрические автомобили в настоящее время уже практически стали обыденной вещью, продаются в магазине, показываются на выставках и строятся энтузиастами. На яхтенном рынке гибридные и электрические пропульсивные системы остаются некоторой экзотикой, хотя многие компании пытаются внедрить это и на маломерном флоте.


Коммерческий флот давно использует дизель-электрические системы на ледоколах и буксирах, где требуется маневренность и большой упор на винте, но вопрос экономии топлива стоит на втором плане.
Так как же дизель-электрическая схема может экономить топливо по сравнению с обычным дизельным двигателем на катерах и яхтах? Чисто электрические системы рассматривать не будем, так как они малопригодны для более менее длительных переходов и ограничены объемом батарей.
Производители дизель-электрических систем заявляют о следующих преимуществах таких комплексов:
- улучшает топливную эффективность
- снижает шум и вибрацию
- лучше используется внутренние объемы яхты
- уменьшает вес и габариты движителя
- легче интегрируется в судовые системы
- увеличивает срок службы и надежность основных частей
- улучшает маневренность судна

Но первым и главным пунктом стоит топливная эффективность, от которой впрямую зависят расходы на содержание и эксплуатацию катера или яхты.

Добавление электрического мотора между винтом и дизельным двигателем (генератор) создает дополнительные потери в передаче энергии. КПД электрического мотора составляет около 72-98%, эффективность дизель-генератора около 84-97%, механические потери на передачи мощности на вал около 3-5%.
Расход топлива понятно что определяется отдаваемой мощностью и оборотами двигателя(генератора).



Красной линией показана мощность выдаваемая на валу двигателя, пунктирной линией показана мощность на винте за минусом механических потерь, голубой линией показана мощность, которую винт может "принять" от двигателя, т.е. отдаваемая мощность винта в зависимости от оборотов.
Обычно яхты в круизном режиме идут с оборотами двигателя около 2800 об/мин, это примерно соответствует 68 л.с. на двигателе, хотя винт "выдает" только около 35 л.с. (на графике указаны Квт)
В точке А, на максимальных оборотах, двигатель потребляет 17 л/час (на графике галлоны) или 0.25 л/л.с., если уменьшить обороты до точки B, то расход топлива  будет 8 л/час или 0.22 л/л.с.
Если уменьшить обороты еще до 2000 об/мин, то получится 0.33 л/л.с.
Т.е. точка B является золотой серединой в комбинации обороты двигателя - расход топлива - отдача винта. Единственный вариант улучшить этот показатель с дизельным двигателем, это установить ВРШ (винт регулируемого шага).


Это график показывает соотношение мощности выдаваемой двигателем (М) и мощность, которая может быть отдана подобранным винтом (P) и мощность которая может быть выдана двигателем при заданном расходе топлива (пунктир).
В точке #1 забираемая винтом мощность около 17 квт при 1000 об/мин, при этом двигатель выдает 20 квт, т.е. двигатель практически полностью нагружен. В точке #2 обороты двигателя 2800 об/мин и двигатель нагружен всего на 1/3.  В точке #1 двигатель потребляет 4 л/час (0.18 л/л.с.) чтобы крутить винт на 17 квт, а в точке #2 двигатель потребляет 6 л/час (на 50% больше), чтобы отдавать те-же 17 квт на винте.

Например при 2600 об/мин в море, при движении на волне нагрузка постоянно меняется и расход топлива тоже меняется от 6 л/час  до 13.5 л/час, если считать равномерное волнение (нагрузки) 50/50, то средний расход составит 9.75 л/час.
При дизель-электрической установке, генератор "отвязан" от винта и при движении на волне обороты генератора подстраиваются под нагрузку, в этом случае средний расход топлива составит 8.5 л/час, а это уже 10% экономии.
Нередко обычная схема дизель-винт имеет потери мощности до 50%, поэтому дополнительным фактором экономии является оптимизация винта, как известно, больший винт вращающийся с меньшей скоростью более эффективный по передаче мощности.



Вернемся к графику наверху, но рассмотрим для сравнения два винта одинакового диаметра: двухлопастный 17х14 и трехлопастный 17х12, который имеет больше площадь лопастей, меньше скольжение и больше отдачу мощности соответственно.
Таким образом (верхняя голубая линия), максимальная передача мощности будет в точке А, которая на 300 об/мин меньше максимальных оборотов двигателя.
А вот что произойдет, если увеличить диаметр винта до 20х14:



Мы видим что точка пересечения А сдвинулась, а это даст результаты:
- увеличивает эффективность винта
- уменьшает оптимальные обороты до 3100 об/мин
- перегружает двигатель на полных оборотах
- полностью нагруженный двигатель на средних оборотах
- увеличивает скорость катера на средних оборотах 
- уменьшает максимальную скорость


Винт большего диаметра более эффективно передает мощность от двигателя в движение судна, а это значит более высокую топливную эффективность из расчета в час или милю.
В данном случае замена винта на больший диаметр обеспечивает топливную эффективность примерно на 13% на малых и средних оборотах двигателя, что очень не мало.

В дизель-электрических комплексах, двигатель всегда выдает необходимую мощность, независимо от оборотов винта, а зависит только от нагрузки на винт.
Вывод такой, что эффективность дизель-электрической системы обеспечиваться оптимально нагруженным дизель-генератором и увеличенным диаметром винта, без опасности перегрузки дизель-генератора.

Также дополнительным фактором повышения топливной эффективности может стать использование нескольких параллельных дизель-генераторов. Например при полной нагрузке дизель-генератор 80 квт потребляет 24 л/час, а два дизель-генератора по 40 квт потребляет только 20 л/час и это только благодаря оптимизации соотношения мощность/нагрузка.

В результате имеем следующее:
- 10% от генератора  оборотами, которые зависят от нагрузки
- 7% от более оптимального винта большего диаметра
- 13% от подбора винта под мощность и обороты дизель-генератора
- 20% от установки нескольких дизель-генераторов меньшей мощности

Полученная эффективность около 50% существенно выше потерь, которые связывают с установкой дизель-электрической схемы для движения судна.
Таким образом примерную экономию по топливу между дизельной установкой и дизель-электрической схемой можно считать в районе 20-25%.

Почему же дизель-электрическая схема не применяется широко на прогулочных моторных и парусных катерах и яхта ?
Причин вероятно несколько, возможно они следующие:
- стоимость всей системы выше, чем обычного дизеля 
- для полного использования преимуществ по экономии, судно должно быть специально спроектировано для использования винта увеличенного размера.
- вес всей системы может быть больше, чем обычный дизель
- система полностью основана на электронике, что не является ремонтно пригодным
- эффективно при коммерческом использовании, когда постоянно на ходу.

Вероятно, когда будут созданы более эффективные системы получения и хранения энергии, а также цена оборудования упадет примерно в 2 раза, тогда можно говорить о массовом применении электрических и гибридных систем движения на малых судах, а пока старый добрый дизелек хорошо держит свои позиции.

----------------
По матреиалам www.trybrid.org



6 комментариев:

  1. Интересно, а вот в случае автопрома, отказ от трансмиссии ещё не окупает установку генератора? Что-то пока не видно дизель-электро-мобилей…

    ОтветитьУдалить
  2. Выбросы СО у дизелей больше чем у бензиновых двигателей, дизельные двигатели тяжелее и дороже бензиновых, бензиновые двигатели за счет применения электроники сейчас имеют расход такой же как дизеля. Все это делает дизеля не перспективными для гибридных автомобилей. Также режим работы двигателей автомобилей совсем другой, частые ускорения и торможения, поэтому на сегодня гибридные авто продаются на рынке, а чисто электрические пока экзотика типа Теслы, стоимость машины и ее обслуживания не компенсирует экономии на топливе.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Новая Tesla 3 стоит дешевле новой Toyota Prius. Обслуживание? В тесла нет масла в моторе или коробке, нет ремней, тормозные колодки служат как в приусе по 150 тысяч км. Какая стоимость обслуживания? На батарею пожизненная гарантия.

      Удалить
  3. Ну значит Тесла решила все вопросы для покупателей, почему тога они не заполонили дороги Европы ?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. На тесловские машины большая очередь, невозможно сразу выпустить десятки миллионов машин, подготовить инфраструктуру, а главное обеспечить взрывной рост производства электроэнергии. Решение всех этих вопросов требует времени. Но процесс идёт, и это уже необратимо.

      Удалить
    2. С машинами конечно процесс идет, и не только в сторону электрики. С лодками другая история, параметры: вес-цена-надежность-ремнтопригодность- автономность, практически по всем этим параметрам электрика пока уступает дизелю. Вероятно электрика рано или поздно займет нишу дейкруизеров для прибрежного плавания и коммерческий флот, но настоящие яхты еще долго будут с дизелями.

      Удалить