Схема судового главного двигателя

Главное меню

Судовые двигатели

Двигателем внутреннего сгорания называется тепловой двига­тель поршневого типа, в котором химическая энергия топлива пре­образуется в тепловую непосредственно внутри рабочего ци­линдра. В результате химической реакции топлива с кислородом воздуха образуются газообразные продукты сгорания с высокими давлением и температурой, которые являются рабочим телом дви­гателя. Продукты сгорания оказывают давление на поршень и вы­зывают его перемещение. Возвратно-поступательное движение поршня с помощью кривошипно-шатунного механизма превра­щается во вращательное движение коленчатого вала.

Двигатели внутреннего сгорания работают по одному из трех циклов: изохорному (цикл Отто), изобарному (цикл Дизеля) и смешанному (цикл Тринклера), различающихся характером про­текания процесса сообщения тепла рабочему телу. В смешанном цикле часть тепла сообщается при постоянном объеме, а осталь­ная часть при постоянном давлении. Отвод тепла во всех циклах совершается по изохоре.

Совокупность последовательных и периодически повторяю­щихся процессов, необходимых для движения поршня — наполне­ние цилиндра, сжатие, сгорание с последующим расширением газов и очистка цилиндра от продуктов сгорания — называется рабочим циклом двигателя. Часть цикла, проходящая за один ход поршня, называется тактом.

Двигатели внутреннего сгорания делятся на четырехтактные и двухтактные; в четырехтактных двигателях рабочий цикл совер­шается за четыре хода поршня, а в двухтактных — за два.

Судовые двигатели внутреннего сгорания в основном работают по смешанному циклу. Крайние предельные положения поршня в цилиндре называются соответственно верхней и нижней мерт­выми точками (в. м. т., н. м. т.). Расстояние по оси цилиндра, проходимое поршнем от одного до другого крайнего положения, называется ходом поршня S (рис. 125). Объем, описываемый поршнем при его движении между в. м. т. и н. м. т., называется рабочим объемом цилиндра V _s . Объем цилиндра над поршнем, когда последний находится в н. м. т., называется объемом камеры сжатия V _с . Объем цилиндра при положении поршня в н. м. т. на­зывается полным объемом цилиндра V _а : V _a = V _с + V _s .

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия называется степенью сжатия ? = V _a / V _c .

Величина степени сжатия зависит от типа двигателя. Для су­довых дизелей степень сжатия равна 12—18. Главными конструк­тивными характеристиками двига­теля являются диаметр цилиндра, ход поршня, число цилиндров и га­баритные размеры.

Четырехтактный двигатель.

На рис. 125 показана схема устройства четырехтактного дизеля. Фунда­ментная рама 15 дизеля покоится на судовом фундаменте 1 . Блок ци­линдров 11 закрепляется на станине двигателя 14. Поршень 9 под дей­ствием газов совершает возвратно-поступательное движение по зерка­лу цилиндровой втулки 10 и с по­мощью шатуна 13 вращает коленча­тый вал 2. Верхняя головка шатуна с помощью поршневого пальца 3 соединена с поршнем, а нижняя ох­ватывает мотылевую шейку колен­чатого вала. В крышке 7 цилиндра размещены впускной клапан 4, вы­пускной клапан 8 и топливная фор­сунка 6. Впускной и выпускной клапаны приводятся в действие через систему штанг и рычагов 5 от кулачных шайб распредели­тельных валов 12. Последние получают вращение от коленчатого вала.

Рабочий цикл в четырехтактном двигателе происходит за два оборота коленчатого вала — за четыре хода (такта) поршня. Из четырех ходов (тактов) три хода (такта) являются подготови­тельными, а один рабочим. Каждый такт носит название основ­ного процесса, происходящего во время данного такта.

Первый такт — впуск. При движении поршня вниз (рис. 126) над поршнем в цилиндре создается разрежение, и через принуди­тельно открытый впускной клапан а атмосферный воздух запол­няет цилиндр. Для лучшего заполнения цилиндра свежим заря­дом воздуха впускной клапан а открывается несколько раньше, чем поршень достигнет в. м. т.—точка 1 ; имеет место предваре­ние впуска (15—30° по углу поворота коленчатого вала). Закан­чивается впуск воздуха в цилиндр в точке 2. Впускной клапан а закрывается с углом запаздывания 10—30° после н. м. т. возможность использовать инерцию входящего с большой ско­ростью воздуха, что приводит к более полной зарядке цилиндра. Продолжительность впуска соответствует углу поворота коленча­того вала на 220—250° и на рисунке показана заштрихованным углом 1—2, а па диаграмме р—? — линией впуска 1—2.

Второй такт — сжатие. С момента закрытия впускного кла­пана а (точка 2) при движении поршня вверх начинается сжатие. Объем уменьшается, температура и давление воздуха увеличи­ваются. Продолжительность сжатия составляет угол 140—160° по­ворота коленчатого вала и заканчивается в точке 3 . Давление в конце сжатия достигает 3—4,5 Мн/м 2 , а температура 800—1100° К. Высокая температура заряда воздуха обеспечивает самовоспламенение топлива. В конце хода сжатия, когда поршень .немного не дошел до в. м. т. (точка 3 ), производится впрыск топ­лива через форсунку б . Опережение подачи топлива (угол пред­варения 10—30°) дает возможность к приходу поршня в в. м. т. подготовить рабочую смесь к самовоспламенению.

Третий такт — рабочий ход. Происходит горение топлива и рас­ширение продуктов сгорания. Продолжительность сгорания топ­лива составляет 40—60° поворота коленчатого вала (процесс 3—4 на рисунке). В конце горения внутренняя энергия газов увеличи­вается, давление газов достигает значительной величины 5 — 8 Мн/м 2 , а температура 1500—2000° К. Точка 4 — начало рас­ширения газов. Под давлением газов поршень движется вниз, со­вершая полезную механическую работу. В конце расширения (угол опережения 20—40° до н. м. т.) — точка 5 — открывается выпускной клапан в, давление в цилиндре резко падает и по дости­жении поршнем н. м. т. оказывается равным 0,1—0,11 Мн/м 2 , а температура 600—800° К. Предварение выпуска обеспечивает минимальное сопротивление движению поршня вверх в последую­щем такте. Рабочий ход совершается за 160—180° угла поворота коленчатого вала.

Четвертый такт — выпуск. Продолжается от точки 5 до точки 6. При выпуске поршень, двигаясь вверх от н. м. т., выталкивает от­работавшие продукты сгорания. Выпускной клапан закрывается с некоторым запозданием (на 10—30° угла поворота коленчатого вала после в. м. т.). Это улучшает удаление отработавших про­дуктов горения за счет отсасывающего действия газов, тем более что в это время впускной клапан уже открыт. Такое положение клапанов называется «перекрытием клапанов». Перекрытие кла­панов обеспечивает более совершенное удаление продуктов сгора­ния. Выпуск осуществляется в течение 225—250° угла поворота коленчатого вала.

Двухтактный двигатель.

На рис. 127 показана схема работы двухтактного дизеля. Газораспределение в двухтактных двигате­лях осуществляется через продувочные окна П и выпускные окна В . Продувочные окна соединены с продувочным ресиве­ром Р , в который продувочным насосом Н нагнетается чистый воз­дух под давлением 0,12—0,16 Мн/м 2 . Выпускные окна, несколько выше расположенные, чем продувочные, соединяются с выпускным коллектором. Топливо подается в цилиндр форсункой Ф. Рабочий цикл двухтактного двигателя осуществляется за два хода поршня, за один оборот коленчатого вала. Открытие и закрытие выпускных и продувочных окон производится поршнем.

Рассмотрим последовательность процессов в цилиндре.

Первый такт — горение, расширение, выпуск и продувка. Пор­шень движется вниз от в. м. т. к н. м. т. В начале такта происхо­дит бурное горение с повышением давления газов до 5—10 Мн/м 2 и температуры до 1700—1900° К для тихоходных двигателей и 1800—2000° К для быстроходных. Горение заканчивается в точке 4 и затем происходит расширение продуктов сгорания (участок 4—5) до давления 0,25—0,6 Мн / м 2 и температуры 900—1200° К. При положении мотыля в точке 5 (за 50—70° до н. м. т.) откры­ваются выпускные окна, давление в цилиндре резко падает и на­чинается выпуск отработавших газов выпускного коллектора в ат­мосферу. Высота продувочных окон подбирается таким образом, чтобы к моменту их открытия давление газов в цилиндре было бы близко к давлению продувочного воздуха в продувочном ресивере. После открытия продувочных окон (точка 6) продувочный воздух, поступая в цилиндр, вытесняет продукты сгорания через выпускные окна, при этом часть воздуха уходит с отработавшими газами. При открытых продувочных окнах происходит принудительная очистка цилиндра и заполнение его свежим зарядом; этот процесс называется продувкой.

Второй такт. Процесс продувки продолжается также при дви­жении поршня вверх от н. м. т. до закрытия продувочных окон (точка 1). После закрытия поршнем выпускных окон (точка 2) процесс выпуска заканчивается и начинается процесс сжатия све­жего заряда воздуха. В конце сжатия (в. м. т.) давление воздуха равно 3,5—5 Мн/м 2 , а температура составляет 750—800° К. Высо­кая температура воздуха в конце сжатия обеспечивает самовос­пламенение топлива. Затем цикл повторяется.

По тем же соображениям, что и для четырехтактных дизелей, топливо в цилиндр подается с опережением в 10—20° поворота ко­ленчатого вала до в. м. т. (точка 3 ).

В настоящее время на судах применяют как двухтактные, так и четырехтактные дизели. Для крупнотоннажных грузовых и пас­сажирских судов основным является двухтактный двигатель. Ти­хоходные двухтактные крейцкопфного типа дизеля долговечны, отличаются высокой экономичностью, но имеют большой вес и га­бариты. При одной и той же частоте вращения и одинаковых раз­мерах цилиндров мощность двухтактного двигателя теоретически вдвое больше мощности четырехтактного. Увеличение мощности двухтактного двигателя обусловлено сгоранием вдвое большего количества топлива, чем в четырехтактном, но так как объем ра­бочего цилиндра (из-за наличия выпускных и продувочных окон) используется неполностью, а часть мощности (4—10%) затрачи­вается на приведение в действие продувочного насоса, то факти­ческое превышение мощности в двухтактном двигателе над мощ­ностью четырехтактного составляет 70—80%.

Четырехтактный двигатель при одинаковых мощности и ча­стоте вращения с двухтактным имеет большие размеры и вес. Двухтактный двигатель при одинаковых частоте вращения и числе цилиндров с четырехтактным вследствие удвоенного числа рабо­чих циклов работает более равномерно. Минимальное число ци­линдров, обеспечивающее надежный пуск для двухтактного дви­гателя — четыре, а для четырехтактного — шесть.

Отсутствие клапанов и приводов к ним у двухтактного двига­теля со щелевой продувкой упрощает его конструкцию. Однако на изготовление деталей требуются более прочные материалы, так как двухтактные двигатели работают при более высоких темпера­турных условиях.

В двухтактных двигателях очистка, продувка и зарядка све­жим воздухом цилиндра осуществляется на протяжении части одного хода, поэтому качество этих процессов ниже, чем у четы­рехтактного двигателя.

Четырехтактные двигатели удобнее в отношении повышения их мощности путем наддува. Для них используют более простую схему наддува, теплонапряженность цилиндров меньше, чем у двухтактных дизелей. Для современных четырехтактных дизелей с газотурбинным наддувом удельный эффективный расход топ­лива составляет 0,188—0,190 кг/(квт ? ч), а для двухтактных тихо­ходных дизелей с наддувом 0,204—0,210 кг/(квт?ч).

§ 19. Конструкции судовых двигателей внутреннего сгорания

Любой двигатель внутреннего сгорания имеет аналогичные по конструкции основные узлы и детали, а также механизмы и системы. Все они могут быть сгруппированы следующим образом (рис. 38):
неподвижные детали, образующие остов двигателя — фундаментная рама 1, станина (картер) 2, блок цилиндров 3 и крышка цилиндров 4;
подвижные детали, или кривошипно-шатунный механизм,— поршень 9, поршневые кольца 8, поршневой палец 10, шатун 11, коленчатый вал 16, маховик и др.;
механизм газораспределения — впускные и выпускные клапаны 6 с пружинами, детали привода клапанов (толкатель) 7, 12, 13, 14, шестерни 15 и 17 привода распределительного вала и т. д.;
топливоподающая система — топливный бак, фильтры, топливо-подкачивающий насос, топливный насос высокого давления, регуляторы топлива, трубопроводы, форсунки и др.;
система смазки и охлаждения двигателей — масляный бак, трубопроводы, фильтры, масляные насосы (приводные и ручные), маслоподкачивающие насосы, охлаждающие водяные насосы и т. д.;
система наддува и продувки свежим воздухом (для двухтактных двигателей) —продувочные насосы, компрессоры, газовые турбины и др.

Рис. 38. Устройство двигателя внутреннего сгорания.

Кроме этого, двигатель оснащается различными пусковыми и реверсивными устройствами, измерительными приборами и арматурой.

Остов двигателя. Остов двигателя служит для соединения в один жесткий блок всех неподвижных деталей двигателя, для расположения в нем подвижных частей, на нем — всех навешиваемых механизмов и для крепления двигателя к судовому фундаменту.

Основанием двигателя является фундаментная рама. Она состоит из двух продольных балок коробчатого или двутаврового сечения, на которые устанавливаются обычно стойки и станины, и нескольких поперечных балок специальной формы с расточками для установки рамовых подшипников. Фундаментные рамы современных судовых двигателей изготовляют литыми (чугунными или стальными) или сварными. Они бывают закрытые и открытые, цельные и составные.

Нижняя часть закрытой фундаментной рамы, т. е. поддон, представляет собой одно целое с продольными и поперечными балками. Между поперечными балками располагаются кривошипы коленчатого вала, поэтому пространство между ними и продольными балками называется мотылевым колодцем. В нижней части поперечных балок имеются отверстия для перетекания масла из одного мотылевого колодца в другой.

В целях облегчения обработки, транспортировки и монтажа на судне фундаментные рамы двигателей большой мощности выполняют по длине составными из двух и более частей. Отдельные части пригоняют друг к другу и соединяют болтами. Для двигателей средней мощности фундаментные рамы изготовляют открытыми. В этом случае поддон изготовляют отдельно из тонкой листовой стали и крепят шпильками к нижней части рамы. Рама становится более легкой, но менее жесткой. В быстроходных и легких двигателях применяют так называемые картерные рамы, позволяющие устанавливать блок цилиндров непосредственно на раме, в результате чего отпадает необходимость в станинах.

На рис. 39 показан общий вид закрытой фундаментной рамы с уложенным на нее коленчатым валом и с закрепленными крышками рамовых подшипников. В нижней части рамы виден поддон и отверстие для стока отработанного масла. С боков рама имеет по всей длине горизонтальные полки с приливами, в которых находятся отверстия для болтов, соединяющих раму с судовым фундаментом.

Рис. 39. Общий вид закрытой фундаментной рамы.

Станина двигателя присоединяется к фундаментной раме на болтах. Станины изготовляют цельными и составными, литыми (из чугуна или стали) и сварными. Для двигателей большой мощности станины выполняют открытого типа в виде отдельно стоящих, соединенных между собой вверху и внизу колонн, которые обычно располагают в плоскости рамовых подшипников и крепят к фундаментной раме. Такая конструкция значительно увеличивает жесткость остова двигателя и обеспечивает свободный доступ к движущимся деталям и подшипникам. Колонны чаще всего выполняют двутаврового сечения с поперечными ребрами жесткости. Сверху на колонны устанавливают цилиндры двигателя.

Если станина мощного двигателя отлита из чугуна, применяют так называемые анкерные связи — длинные стяжные болты 1, соединяющие цилиндры 2, станину 3 и фундаментную раму 4 в одно целое (рис. 40). Это позволяет уменьшить толщину стенок станины, повысить прочность и жесткость всей конструкции.

Рис. 40. Литая станина мощного двигателя.

В двигателях малой и средней мощности применяют станины закрытого (коробчатого) типа. Такая станина представляет собой цельную отливку в виде коробки, открытой снизу (см. рис. 38). Полость, образуемая станиной 2 и фундаментной рамой/, носит название картерного пространства, а сама станина, присоединенная на болтах к фундаментной раме, называется картером. К верхней части картера крепят рабочие цилиндры 3 двигателя. Такая конструкция остова двигателя увеличивает его продольную жесткость, позволяет иметь отдельные, не собранные в блок цилиндры и облегчает фундаментную раму.

В последнее время в двигателях средней мощности широко применяют сварные блочные конструкции фундаментных рам и станин, которые обладают значительной жесткостью и меньшим весом по сравнению с литыми чугунными станинами.

Рабочие цилиндры современных двигателей изготовляют или каждый в отдельности, или чаще всего в виде блочной конструкции. Преимущество блочной отливки цилиндров в том, что она повышает жесткость конструкции, уменьшает вес и габарит двигателя, снижает стоимость изготовления цилиндров. Дизели малой и средней мощности имеют обычно блочную конструкцию цилиндров, и только двухтактные (изредка — четырехтактные) двигатели большой мощности — отдельные цилиндры.

Конструкция отдельного цилиндра четырехтактного двигателя показана на рис. 41. Цилиндр состоит из наружной рубашки 1 (цилиндра) и рабочей втулки 2, запрессованной в цилиндр и опирающейся буртиком 9 на кольцевой выступ, имеющийся в верхней части наружного цилиндра. Между наружной рубашкой и втулкой образуется полость — зарубашечное пространство, куда поступает непрерывно циркулирующая охлаждающая вода. От охлаждающего насоса через отверстие 3 вода вначале попадает в нижнюю часть зарубашечного пространства, а затем поднимается вверх и переходит в полость охлаждения крышки цилиндра через отверстие 8- Внутренняя поверхность рабочей втулки при работе двигателя смазывается. Смазка осуществляется при помощи штуцеров, ввернутых в цилиндр, через которые масло под давлением попадает на внутреннюю поверхность втулки. Вторым способом смазки является смазка разбрызгиванием (для быстроходных двигателей), когда масло фонтанирует из торцевых зазоров подшипников коленчатого вала и разносится при движении поршня по всей рабочей поверхности втулки.

Рис. 41. Цилиндр четырехтактного двигателя.

Наружная рубашка имеет фланец 4, которым цилиндр крепится к станине двигателя. В нижней части рубашки расположен поясок 5 для фиксирования положения втулки. В пояске выполняют кольцевую выточку, в которую укладывается резиновое кольцо 6 круглого сечения, что обеспечивает плотность соединения, т. е. предотвращает проникновение охлаждающей воды из зарубашечного пространства в картер двигателя. Для осмотра и очистки зарубашечного пространства в наружной рубашке предусмотрены горловины 7, плотно закрываемые крышками.

Конструктивные особенности рабочих цилиндров двухтактных двигателей обусловлены системой продувки и расположением продувочных и выпускных окон. В отличие от цилиндров четырехтактных двигателей в стенках этих рабочих цилиндров расположены каналы для подвода продувочного воздуха и удаления отработавших газов. Это обстоятельство приводит к необходимости уплотнения между вставной втулкой и рубашкой не только в ее нижней части, но и в районе продувочных и выпускных окон. В канавки, прилегающие к окнам, закладывают кольца из красной меди, а в остальные — резиновые кольца.

В быстроходных дизелях для уменьшения их веса рабочую втулку изготовляют заодно с крышкой цилиндра из легированной кованой стали, а рубашку из листовой нержавеющей стали приваривают к втулке. Применение отдельных вставных втулок благоприятно отражается на работе и ремонте двигателя: уменьшаются тепловые напряжения в металле цилиндра и втулки, так как последняя может удлиняться при нагреве; достигается возможность изготовления втулок из более прочного и износоустойчивого материала, чем стенки наружного цилиндра. Основное преимущество — возможность замены втулки при износе ее рабочей поверхности, что упрощает изготовление и ремонт цилиндров.

Крышка, или головка, цилиндра — наиболее ответственная и сложная по конфигурации деталь остова двигателя. Она крепится к верхнему фланцу цилиндра при помощи шпилек. Для обеспечения плотности соединения в кольцевую выточку 10 буртика 9 (см. рис. 41) втулки рабочего цилиндра закладывают красно-медную или медно-асбестовую прокладку, которая обжимается выступающим буртиком крышки.

По геометрической форме крышка цилиндра напоминает пустотелую круглую или прямоугольную коробку, имеющую два днища и боковые стенки. Нижнее днище находится в наиболее тяжелых условиях работы, оно подвержено высоким давлениям и температуре газов, образующихся в цилиндре. В полости между верхним и нижним днищами циркулирует охлаждающая вода, поступающая из зарубашечного пространства цилиндра. Таким образом, крышка является не только наиболее ответственной, но и наиболее нагруженной деталью остова двигателя, так как в ней возникают как механические, так и тепловые напряжения, вызываемые неравномерным нагревом ее стенок.

В крышке цилиндра четырехтактного двигателя (рис. 42) предусмотрены отверстия 1 для размещения двух впускных клапанов, в центре — отверстие 3 для форсунки и сбоку от него — отверстие 2 для пускового клапана. Кроме того, крышка имеет вертикальный индикаторный канал 4, а внизу — горизонтальную перегородку 5, которая служит для улучшения охлаждения нижнего днища. Охлаждающая вода омывает вначале нижние днища, а затем по мере нагревания по специальным переходам в горизонтальной перегородке перетекает в верхнюю часть плоскости крышки. Крышка цилиндра двухтактного двигателя отличается более простым устройством.

Рис. 42. Крышка цилиндра четырехтактного двигателя.

Вследствие тяжелых условий работы цилиндровых крышек материалы, из которых они изготовляются, должны отличаться высокой механической прочностью, жаростойкостью, хорошими литейными свойствами и незначительным коэффициентом линейного расширения.