§ 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.

Двигатели внутреннего сгорания

В начале XX в. начали появляться судовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Первое в мире датское судно «Зеландия» с дизельной установкой, построенное в 1912 г., имело два дизеля мощностью по 147,2 кВт. Эти ДВС приводили в движение непосредственно по одному гребному винту. После этого ДВС стали совершенствоваться довольно быстро. Процесс особенно ускорился после второй мировой войны. В настоящее время основную часть устанавливаемых на судах главных энергетических установок составляют ДВС. Паротурбинные установки имеют только суда с мощностью двигателей от 14700 до 22 100 кВт. В некоторых странах по традиции, а также исходя из имеющихся производственных мощностей турбинный двигатель применяют и на судах меньшей мощности. Это особенно характерно для судов торгового флота США. Дизельная энергетическая установка состоит из одного или нескольких основных двигателей, а также из обслуживающих их механизмов. В зависимости от способа осуществления рабочего цикла ДВС разделяют на четырехтактные и двухтактные. Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува. Существует другой принцип разделения ДВС — по частоте вращения. Малооборотные дизели с частотой вращения 100—150 об/мин непосредственно приводят в движение судовой движитель. Среднеоборотными называют ДВС с частотой вращения 300—600 об/мин. Они приводят в движение судовой движитель через редуктор. Приблизительно до конца 60-х гг. на судах устанавливали реверсивные главные двигатели, позволяющие судну осуществлять задний ход. Только при малых мощностях для реверса ДВС использовали специальные устройства (реверсредукторы), дающие возможность маневрирования. В 60-х гг. одновременно с появлением винтов регулируемого шага начали в качестве главного двигателя применять нереверсивные ДВС вначале на малых судах, траулерах и буксирах, а затем и на больших торговых судах. За счет этого конструкция двигателей упростилась.

Машинное отделение (дизель со вспомогательными механизмами)

Судовая энергетическая установка с ДВС изображена на рисунке. Кроме главного двигателя предусмотрены еще два вспомогательных, которые приводят во вращение генераторы. Для обслуживания главного и вспомогательных двигателей используются вспомогательные механизмы и системы, а также система трубопроводов и клапанов. Топливная система предназначена для подачи топлива из цистерн к двигателю. При этом для уменьшения вязкости топливо подогревается и освобождается в сепараторах и фильтрах от жидких и твердых примесей. Система смазки служит для прокачивания смазочного масла через двигатель с целью уменьшения трения между трущимися поверхностями, а также для отвода части полученного от двигателя тепла и очистки масла. Система охлаждения предусмотрена для отвода от двигателя тепла, которое проникает в основном через стенки цилиндра и возникает во время сжигания топлива, а также для охлаждения циркулирующего смазочного масла. Эта система состоит из насосов для пресной и морской воды и охладителей воды и масла. Пусковая установка, включающая в себя компрессоры, резервуары сжатого воздуха, а также трубопроводы и клапаны, служит для пуска главного и вспомогательных двигателей.

Наряду с указанными выше вспомогательными системами главного и вспомогательных двигателей в машинном отделении находятся и другие судовые механизмы общего назначения. Принцип действия четырехтактного ДВС показан на рисунке ниже. В четырехтактном двигателе рабочий цикл осуществляется за два поворота коленчатого вала, т. е. за четыре хода поршня. Механическая работа совершается только за время одного такта, три остальных служат для подготовки. При первом такте поршень движется в направлении коленчатого вала. Под воздействием возникающего при этом разрежения воздух через открытый всасывающий клапан устремляется в цилиндр. В дизеле без наддува давление всасываемого воздуха равно атмосферному, в дизеле с наддувом к цилиндру подводится уже предварительно сжатый воздух. Во время второго такта при закрытых всасывающих клапанах предварительно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счет чего повышаются температура и давление. Топливоподкачивающий насос, привод которого согласован с движением соответствующего поршня, повышает давление топлива. При достижении давления 19,62—39,24 МПа топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр, в котором у дизелей без наддува давление сжатого воздуха составляет 2,94—3,43 МПа и температура 550—600°С, а у дизелей с наддувом соответственно 3,92—4,91 МПа и 600—700°С.

Принцип действия четырехтактного дизеля

Топливо впрыскивается незадолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения. Впрыснутое и тщательно распыленное топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняющуюся смесь. Третий такт является рабочим. Во время процесса сгорания топлива образуются горячие газы, которые вызывают увеличение давления над поршнем в дизелях без наддува от 4,41 до 5,4 МПа, а в дизелях с наддувом — от 5,89 до 7,85 МПа. Под давлением силы, возникающей за счет давления газов, поршень движется вниз, газы расширяются и производят при этом механическую работу. Во время четвертого такта открывается выпускной клапан и отработавшие газы выходят наружу. Четырехтактные судовые ДВС изготовляются как многоцилиндровые двигатели. Они устроены так, что рабочие такты равномерно распределяются по отдельным цилиндрам.

Принцип действия двухтактного дизеля

В рабочий цикл двухтактного дизеля входят два такта, или один оборот коленчатого вала. Первый такт, называемый сжатием, начинается, когда поршень находится в нижнем положении. Впускные окна в боковых стенках цилиндра открыты. Через эти окна проходит предварительно сжатый продувочный воздух, давление которого должно быть выше давления находящихся в цилиндре расширившихся газов. Одновременно продувочный воздух через открытый выпускной клапан вытесняет отработавшие газы из цилиндра и наполняет цилиндр новой дозой. Когда впускные окна закрываются поршнем, к цилиндру воздух не подводится. Так как одновременно закрывается и выпускной клапан, воздух в цилиндре сжимается. Этот процесс не показан на рисинке. Впрыскивание топлива и воспламенение происходит точно так же, как и в четырехтактном ДВС. Во время второго такта — рабочего (или расширения) — расширяющиеся газы совершают механическую работу. В конце этого такта впускные окна открываются поршнем и процесс продувки цилиндра начинается снова. Отработавшие газы могут выйти из цилиндра через внешний клапан, либо через управляемые поршнем выпускные окна. Под наддувом дизельного двигателя понимают подачу к цилиндрам большего количества воздуха, чем требуется для заполнения всего цилиндра при такте всасывания. Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за один рабочий цикл. Это означает повышение мощности двигателя без увеличения его размеров (диаметра, хода и числа цилиндров), а также частоты вращения. Наддув можно осуществлять за счет предварительного сжатия воздуха перед цилиндром. Во всех выпускаемых четырехтактных судовых ДВС предварительное сжатие воздуха происходит с помощью центробежного компрессора, который приводится в действие газовой турбиной, работающей на отработавших газах дизеля.

Принцип действия газотурбинного нагнетателя

1 — турбина, работающая на отработавших газах; 2 — отработавшие газы; 3 — свежий воздух; 4 — компрессор; 5 — коленчатый вал; 6 — цилиндр; 7 — поршень.

Принцип действия компрессора показан на рисунке выше. Поступивший из компрессора воздух проходит через фильтры. После открытия впускного клапана сжатый воздух подается через воздушный коллектор к соответствующим цилиндрам. В двухтактных дизелях предварительное сжатие воздуха происходит в центробежных компрессорах, в пространстве под поршнем, а также в поршневых компрессорах, приводимых в действие двигателем. Давление наддувочного воздуха достигает 0,14—0,25 МПа. На рисунке ниже показан в разрезе главный малооборотный дизель с наддувом.

Принцип действия малооборотного двухтактного дизеля

а — предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра; b — одновременно происходит сжатие и всасывание; с — рабочий такт и предварительное сжатие; d — предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра двигателя без выходного клапана.

Двухтактные дизели изготовляют в виде многоцилиндровых рядных двигателей с 10—12 цилиндрами. Диаметр цилиндров больших двухтактных дизелей достигает 1000 мм, ход — 1500—2000 мм. Мощность цилиндра при общей мощности двигателя более 29 440 кВт составляет от 2900 до 3700 кВт. В связи с этим ДВС можно использовать в качестве главных двигателей и на крупных судах. Двухтактные дизели имеют очень большие размеры и массу. Их удельная масса достигает 40—55 кг/кВт. При мощности, например 14 720 кВт, масса составляет 600—800 т.

Четырехтактный дизель (рядный двигатель)

1 — наддувочный агрегат; 2 — охладитель наддувочного воздуха; 3 — трубопровод отработавших газов; 4 — трубопровод наддувочного воздуха; 5 — трубопровод охлаждающей воды; 6 — масляный трубопровод; 7 — топливный трубопровод; в — распределительный вал; 9 — приводное колесо; 10 — промежуточные шестерни; 11 — приводное колесо коленчатого вала; 12 — коленчатый вал; 13 — шатун; 14 — поршень; 15 — цилиндровая гильза; 16 — камера охлаждающей воды; 17 — крышка цилиндра; 18 — выпускной клапан; 19 — впускной клапан; 20 — топливный клапан; 21 — штанга; 22 — топливный насос; 23 — маслораэбрызгивающее кольцо; 24 — масляная ванна картера; 25 — станина двигателя; 26 — блок цилиндров.

Четырехтактные дизели применяют на судах либо в составе дизель-генераторных установок, либо в качестве главного двигателя в многовальных энергетических установках (по одному дизелю на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя. Среднеоборотные дизели используются также в дизель-электрических энергетических установках в качестве главного двигателя. Применение среднеоборотных дизелей в качестве главного двигателя дает следующие преимущества:

1. увеличение надежности (при выходе из строя одного двигателя остальные продолжают работать);
2. уменьшение габаритов и собственной массы деталей (например, клапанов, поршней, кривошипных механизмов, подшипников и т. д.);
3. уменьшение удельной массы, которая в зависимости от мощности составляет от 14 до 35 кг/кВт (для мощностей около 2200 кВт).

Четырехтактный дизель V-образной конструкции

1 — поршень; 2 — цилиндровая гильза; 3 — коленчатый вал.