Сертификация судовых дизелей на соответствие нормам выбросов окислов азота

Количество вредных выбросов дизелем напрямую зависит от конст­рукции дизеля, поэтому судовладельцы не могут оказать существенного воздействия на уровни этих выбросов. Однако, во время эксплуатации эмиссия вредных выбросов напрямую зависит от вида используемого топлива, соблюдения регулировочных параметров, состояния топливной аппаратуры, системы воздухоснабжения и т.д., а также от применения на судне вторичного метода снижения эмиссии.
В связи с принятием соответствующих законодательных актов (см. пункт 5.2) вводится сертификация судовых дизелей на соответствие вы­бросам NOx. Целью Кодекса является установление соответствия этим нормам при освидетельствовании и сертификации судовых дизелей.
Факт соответствия судового дизеля нормам Кодекса по результатам сертификационных испытаний, которые проводит аккредитованная Реги­стром организация (аккредитован может быть и производитель дизеля), удостоверяется Регистром выдачей двух международных сертификатов:

• двигателю выдается сертификат «О предотвращении загрязнения воздуха двигателем» (EIAPP);
• судну выдается сертификат «О предотвращении загрязнения воз­духа» (IAPP).

При этом последний выдается в ходе освидетельствования всех уста­новленных на судне дизелей, мощностью более 130 кВт.
Кодекс предусматривает следующие виды освидетельствований су­довых дизелей: первоначальное, периодические и промежуточные, а также внеочередные (если приведены существенные конструктивные из­менения дизеля).
Сертификация дизеля должна производиться на за воде-изготовителе двигателя, но в особых случаях может происходить на борту судна одно­временно с первоначальным освидетельствованием. Такие особые случаи возникают, когда двигатели вследствие их размеров, конструкции или ре жима поставки не могут быть сертифицированы на испытательном стенде.
Для освидетельствования дизелей на соответствие нормам выбросов NOx в Кодексе предлагается 5 методов, а именно:

• метод стендовых испытаний с проведением измерений по требова­ниям Кодекса (соответствуют ISO 8178-1);
• метод измерений на борту судна в объеме требований, предъявля­емых к стендовым испытаниям (для дизелей, не получивших сертификат EIAPP на за воде-изготовителе);
• метод сверки параметров дизеля при первоначальном, периодиче­ских и промежуточных освидетельствованиях, применяемый к дизелям, имеющим сертификат изготовителя, или дизелям, подвергнутым конст­руктивным изменениям или регулировкам по отношению к состоянию во время последнего освидетельствования;
• метод упрощенных измерений для двигателей, не подвергшихся изменениям после установки на борту судна;
• метод мониторинга, применяемый только для периодических и промежуточных освидетельствований.

Право выбора метода сертификации и последующих освидетельст­вований закреплено за изготовителем дизеля, судостроителем или судо­владельцем.
Если в результате сертификационных испытаний выявляется несоот­ветствие дизеля нормам выбросов N0*, то может быть подобрано и уста­новлено оборудование для снижения выбросов N0х. Такое оборудование, будучи установленным, должно признаваться как существенный, неотъем­лемый компонент дизеля, и его наличие должно быть зафиксировано в Техническом досье двигателя (ТДД). Для получения сертификата EIAPP ди­зелем в комплектации с оборудованием для снижения выбросов необхо­димы повторные испытания, которые допускается проводить методом уп­рощенных измерений. Сведения об оборудовании для снижения выбро­сов NOx должны быть внесены в сертификат EIAPP, а в ТДД должны быть указаны процедуры контроля нормальной работы этого оборудования.
ТДД - это новый документ, который представляет собой экологичес­кий паспорт судового дизеля, подготавливается его изготовителем, под­лежит одобрению Регистром и'требуется для сопровождения дизеля в те­чение всего срока его судовой службы.
Для обеспечения возможности освидетельствования дизеля Регист­ром ТДД должно содержать, как минимум, следующую информацию:

• идентификация всех компонентов и регулировок дизеля, которые влияют на выбросы N0х;
• идентификация полных диапазонов допустимых регулировок; пол­ная опись связанных с выбросами N0х показателей дизеля, включая но­минальные значения мощности и частоты вращения;
• описание процедур, предназначенных для подтверждения соответ­ствия нормам выбросов N0х при освидетельствованиях дизеля на судне;
• копия отчета о сертификационных испытаниях дизеля;
• указания и огра­ничения для дизеля - члена семейства или группы;
• спецификация запас­ных частей, позволяющая продемонстрировать соответствие нормам эмиссии NOx; сертификат EIAPP.

Система контроля и освидетельствования дизеля на судне должна обеспечивать простоту процедуры и доступность для осмотра и проверки всех контролируемых узлов и регулировок, что ставит новые задачи кон структору при создании дизеля.
С цёлью упрощения процедуры сертификации серийно выпускаемых дизелей, кодекс предлагает использовать одну из двух концепций: се­мейства или группы, которые соответствуют ISO 8178. В случае примене­ния этих концепций сертификационные стендовые испытания требуются только для характерного представителя группы или семейства, имеюще­го наибольшие выбросы NOx. При этом обязательной является процеду­ра доказательства правильности выбора характерного представителя, подразумевающая проведение специальных исследований и демонстра­цию их результатов Регистру.
Концепция группы может быть применена для дизелей мелкосерий­ного производства с одинаковой областью применения, которые требуют незначительных конструктивных изменений и настроек регулируемых элементов при установке на судне. Как правило, это мощные главные су­довые двигатели.
Семейство серийных двигателей объединяется общностью их основ­ных конструктивных признаков, а именно:

• тактность;
• охлаждающая среда (воздух, вода, масло);
• наличие наддува;
• тип топлива (легкое, тяжелое, двойное);
• камера сгорания (открытая, разделенная);
• органы газораспределения (конфигурация и количество клапанов или окон, расположение в крышке или стенке цилиндра);
• тип топливной системы (разделенная, распределительный или рядный насос, насос-форсунка, газовый клапан и др.);
• могут быть приняты во внимание прочие особенности;
• рециркуляция отработанных газов;
• впрыск воды или водотопливной эмульсии;
• очистка отработанных газов за счет восстановительного катализа­тора, окислительного катализатора, термического реактора, фильтра ча­стиц и т.д.

Число и расположение цилиндров могут стать объединительным при­знаком лишь в тех случаях, когда это влияет на уровень выбросов NOx, на­пример, через конструкцию газовоздушных трактов или очистного обору­дования. Если в производстве имеются судовые дизели, обладающие дру­гими особенностями, способными отразиться на выбросах NOx, то такие особенности должны быть выявлены и учтены при образовании семейства.
Методы образования семейства и выбора головного двигателя должны быть согласованы и одобрены Регистром. Изготовитель дизеля несет ответственность за отбор двигателей для включения их в семейство из имеющейся номенклатуры.
В качестве головного члена семейства двигателей должен быть отоб­ран такой, конструктивные и прочие особенности которого, известные из инженерного анализа и экспериментальных исследований, обусловлива­ют наиболее высокий удельный средневзвешенный выброс NOx (г/кВт ¦ ч). Это требует детальных знаний характеристик всех двигателей, включае­мых в состав семейства. Допускается представление семейства двумя (и более) головными двигателями.
При выборе головного двигателя в семействе, кодекс рекомендует пользоваться следующими критериями.

главный критерий - наивысшая скорость подачи топлива.

Дополнительные критерии:

• наиболее высокое среднее-эффективное давление;
• наиболее вы­сокое максимальное давление в цилиндре;
• наиболее высокое отношение давлений воздуха на впуске к давлению сжатия в начале самовоспламе нения топлива; наиболее высокое давление наддува;
• наиболее высокая температура наддувочного воздуха,
• наименьшая скорость нарастания давления при сгорании.

Для одо­брения семейства и его головного двигателя Регистр вправе пересмотреть решение изготовителя и подвергнуть сертификационным испытани­ям различные дизели для проверки того, что все члены семейства отвеча­ют установленным нормам выбросов NOx.

Одобрение семейства двигателей Регистром осуществляется выпус­ком свидетельства (сертификата), включающего перечень членов семей­ства, подготовленный изготовителем, с приложением к нему технической документации с указанием всех ограничений в условиях их работы, ком­плектации в разрешенных пределах регулирования.
Объединение дизелей в группу отличает большее единообразие, чем у членов семейства. Так, в дополнение к общим признакам, присущим членам семейства, общими в группе должны быть также:

• диаметр и ход поршня;
• тип и конструктивные особенности систем наддува и подвода отра­ботанных газов к турбине (изобарная, импульсная);
• наличие охладителя наддувочного воздуха;
• конструктивные особенности камеры сгорания (влияющие на вы­бросы NOx);
• конструктивные особенности топливной аппаратуры, в частности, плунжера и профиля кулачка, обусловливающих скорость подачи топлива.

Выбор головного в группе дизелей, производимых мелкими сериями и имеющих достаточно высокое подобие между собой, может отличаться от выбора головного двигателя семейства. Так, в качестве головного дви­гателя группы, может быть зарегистрирован первый заказанный изгото вителю дизель. Метод выбора головного двигателя группы должен быть согласован и одобрен Регистром.
Как уже упоминалось, отличительной особенностью группы является допустимость изменений регулировок и компонентов дизелей после их установки на судне. Значимость произведенных изменений на показате­ли выбросов NOx освидетельствуется либо методом сверки параметров, либо непосредственными измерениями на борту судна. Допускается так­же в качестве доказательной базы использовать результаты измерений выбросов NOx, полученных на испытательном стенде при аналогичных изменениях регулировок и компонентов дизеля.
Характерные примеры регулировок и конструктивных изменений ди­зеля, разрешенных Кодексом внутри группы, приведены ниже:

• регулировки для соответствия условиям на судне;
• опережения впрыска топлива для компенсации различий в свойст­вах топлив;
• опережения впрыска топлива для оптимизации максимального давления сгорания;
• сведение до минимума разброса подач топлива по цилиндрам;
• оптимизация рабочих характеристик путем замены турбокомпрессора, ТНВД (плунжерной пары, нагнетательного клапана), распылителя фор­сунки, профилей кулачков (впускного и (или) выпускного клапана, вали­ка ТНВД), камеры сгорания.

Приведенные примеры изменений дизеля на судне после его стендо­вых испытаний относятся к существенным.

Это один из основных аргу­ментов в пользу применения концепции группы двигателей.

Получив за­явку, Регистр может признать результаты демонстрационных испытаний, выполненных на одном двигателе (возможно исследовательском) и по­казывающих влияние регулировок и модернизаций на уровень выбросов NOx, и распространить их на все двигатели из группы без проведения сер­тификационных испытаний каждого ее члена.
При проведении испытаний на выбросы, желательно, чтобы дизель был оборудован теми же вспомогательными устройствами, которые бу­дут использоваться на судне.
Однако, для ряда дизелей вспомогательное оборудование, которое может быть установлено в эксплуатации; неизвестно при сертификации. Поэтому базовой мощностью при расчетах удельных средневзвешенных выбросов принята «не скорректированная эффективная мощность». Под коррекцией мощности подразумевается поправка измеряемой мощности с учетом параметра атмосферных условий и конструктивных особеннос­тей двигателя. Эта мощность поясняется в Кодексе с помощью нескольких положений:

• эффективная (не скорректированная) мощность - наблюдаемая мощность, измеренная на коленчатом валу или его эквиваленте при осна­щении двигателя только стандартным вспомогательным оборудованием, необходимым для его работы на испытательном стенде;
• вспомогательное оборудование, в котором нет необходимости для работы двигателя на стенде, должно быть удалено на период испытаний;
• если несущественное вспомогательное оборудование не удалено, то должна быть определена поглощаемая им мощность при частотах вра­щения коленчатого вала на режимах испытаний и вычислена «не скор­ректированная эффективная мощность» как сумма измеренной мощнос­ти на коленвале и мощности, затраченной на привод этого дополнитель­ного оборудования;
• потери мощности на привод вспомогательного оборудования не должны превышать 5% максимальной измеряемой мощности.

Кодекс выдвигает весьма жесткие требования к точности измерений показателей, необходимых для расчета выбросов. Предельно допусти­мые относительные погрешности основных измеряемых величин должны соответствовать таблице.

Таблица

Параметр двигателя/Погрешности измеряемых величин

Допустимая относительная погрешность Интервалы между (+% к максимальному значению) поверками (мес.)

Частота вращения 2 3

Крутящий момент 2 3

Мощность 2

Расход топлива 2 6

Расход воздуха 2 6

Концентрация NOx 5 6

В аналогичном ГОСТ 24585 да­ются менее жесткие, допустимые отклонения измерений концентраций NOx, несмотря на единство требуемого метода анализа - с помощью на­греваемого хемилюминесцентного детектора.

Это расхождение обуслов­лено тем, что российские изготовители газоаналитической аппаратуры регламентируют совокупную погрешность прибора в сочетании с устрой­ствами пробоподготовки, а в Кодексе указывается погрешность собствен­но детектора.
Таким образом, новые международные требования к обязательной сертификации судовых дизелей по показателю выбросов ставят перед про­изводителями судовых дизелей задачу проведения в очень сжатые сроки серьезной подготовки к обеспечению этих требований.

Эта подготовка предусматривает как разработку новой технической документации (техни­ческое досье, концепция семейства или группы), так и существенную мо­дернизацию моторных стендов для сертификации судовых дизелей, вклю­чая оснащение их современными средствами контроля выбросов.