§ 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.

Основные неподвижные детали судового дизеля

К основным неподвижным деталям судового дизеля относятся:

фундаментная рама рамовые подшипники станина цилиндры цилиндровые втулки анкерные связи параллели

Фундаментная рама служит для монтажа остальных неподвижных деталей дизеля, а также коленчатого вала. (У некоторых дизелей к кормовой части фундаментной рамы крепится также упорный подшипник.)

Во время работы дизеля фундаментная рама испытывает статические и динамические нагрузки и, кроме того, нагрузки, обусловленные недостаточной жесткостью корпуса судна. Для нормальной эксплуатации двигателя, а также для предотвращения неравномерного износа трущихся деталей фундаментная рама должна обладать достаточной поперечной и продольной жесткостью. Для выполнения этих условий фундаментные рамы небольших и средних судовых дизелей выполняют из чугуна цельнолитыми, реже — из двух частей, жестко скрепленных болтами.

Фундаментные рамы крупных судовых дизелей для уменьшения массы и увеличения прочности в настоящее время изготовляют сварными из стальных листов или балок сложного профиля.

Фундаментные рамы очень крупных судовых дизелей, для удобства транспортировки и монтажа, изготавливают стальными, сваривая из нескольких частей, которые крепят между собой жестко, при помощи болтов.

У чугунных фундаментных рам нижняя часть выполняется с уклоном — чаще в носовую часть двигателя — и с колодцем для сбора масла, стекающего со смазываемых деталей двигателя.

У крупных дизелей со стальными фундаментными рамами для сбора масла к нижней части рамы крепится легкий стальной поддон. Для предотвращения возникновения пены в картере над поддоном устанавливается пеногасительная сетка.

Цельнолитая фундаментная рама тронкового дизеля (рис. 21) имеет продольные балки 3, поперечные перегородки 1, в которых размещены гнезда (постели) 2 для монтажа рамовых подшипников 4. Для повышения прочности поперечные балки 1 имеют дополнительные ребра жесткости. Для крепления к судовому фундаменту рама имеет продольные полки 5.

Фундаментные рамы судовых дизелей типа ДКРН 70/120 (рис. 22) изготавливают из двух частей, жестко связанных между собой болтами.

Каждая из продольных балок 4 сварена из двух вертикально установленных стальных листов 5, между которыми проходят горизонтальные ребра жесткости 6. Продольные балки 4 соединены между собой двумя горизонтальными листами 3. Для монтажа рамовых подшипников имеются поперечные стальные балки 1, в которые вварены стальные литые стулья 2. Для сбора масла к нижней части рамы приварен стальной поддон 7.

Материалом для изготовления литых фундаментных рам служит серый чугун марок СЧ 18-36, СЧ 21-40, СЧ 24-44; для изготовления сварных фундаментных рам применяют конструкционные стали марок сталь 25, сталь 35. (Для изготовления фундаментных рам, а иногда всех деталей остова у некоторых быстроходных дизелей применяют алюминиевые сплавы АЛ1.)

Рамовые подшипники служат для поддержания коленчатого вала; монтируются в поперечных балках фундаментной рамы и состоят из следующих частей: нижнего и верхнего вкладышей, прокладок между ними и крышки. (У крупных дизелей для удобства монтажа и демонтажа крышки рамовых подшипников выполняются из двух частей.) Для предотвращения аксиального смещения коленчатого вала один из подшипников, обычно кормовой, выполняется упорным (установочным).

Рамовый подшипник судового дизеля ДР 30/50-3 (рис. 23) имеет вкладыши 1 и 3 стальные, залитые баббитом (вкладыш упорного подшипника имеет заливку и со стороны торцевых поверхностей). Смазка к подшипнику подводится по каналу 4. Для регулировки масляного зазора в рамовом подшипнике предусмотрен набор прокладок 2. Конструкция рамовых подшипников позволяет вынимать вкладыши без подъема коленчатого вала.

Материалом для изготовления вкладышей рамовых подшипников служит чугун СЧ 28-48 (тихоходные дизели) и сталь 15Л, 25Л (быстроходные дизели). Для заливки вкладышей рамовых подшипников тихоходных дизелей применяют баббиты марок Б83, БН; подшипники быстроходных дизелей заливают свинцовистой бронзой марки БрС-30. Крышки рамовых подшипников изготавливают из чугуна СЧ 21-40 и стали 24Л.

Крепят крышки подшипников к фундаментной раме при помощи шпилек, ввернутых в поперечные балки. Некоторые конструкции предусматривают установку специальных шпилек — с гайками сверху и снизу.

Станина — деталь дизеля, которая устанавливается на фундаментную раму и служит для поддержания цилиндров дизеля. Между фундаментной рамой и станиной образуется закрытая полость (картер), где совершают сложные движения детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

У крейцкопфных дизелей к станине крепят параллели, которые воспринимают через ползуны крейцкопфа давления газов. Для небольших дизелей станину отливают из чугуна в виде целой отливки, иногда из двух-трех частей. Для крупных судовых двухтактных дизелей станину обычно набирают из специальных сварных, реже литых, колонн.

На рис. 24 изображена цельнолитая чугунная станина судового четырехтактного тронкового дизеля небольшой мощности. Полки 3 станины служат для крепления ее к фундаментной раме. Люки 2, которые во время работы закрывают специальными крышками на прокладках, служат для осмотра, разборки, сборки рамовых и мотылевых подшипников дизеля. На верхнюю плоскость 1 станины устанавливают цилиндры дизеля.

Станина крупного судового крейцкопфного дизеля, набранная из отдельных А-образных колонн, показана на рис. 25. А-образные колонны — стальные сварные, реже чугунные литые, имеют двутавровое или коробчатое, иногда более сложное, сечение. Устанавливают колонны на фундаментные рамы и крепят при помощи шпилек.

После установки всех колонн промежутки между ними закрывают крышками. При снятых крышках открывается свободный доступ в картер для осмотра, демонтажа и монтажа рамовых, мотылевых, головных подшипников, а также крейцкопфного узла двигателя.

Цилиндры, цилиндровые втулки

Цилиндром или цилиндровой рубашкой называется деталь, которая устанавливается на станину двигателя и служит для запрессовки цилиндровой втулки. У двигателей малой мощности цилиндры отливают целой деталью — блоком. У двигателей средней мощности отливают в блок по 2—4 цилиндра. У двигателей большой мощности цилиндры отливают раздельно.

Рубашка цилиндра вместе с цилиндровой втулкой двигателя ДКРН 76/155 («Зульцер») показана на рис. 26. У этого двигателя каждый цилиндр выполнен раздельно, а крепят отдельные рубашки между собой болтами. Цилиндр имеет съемные щитки для осмотра подпоршневой полости и лючки, чтобы контролировать состояние полостей охлаждения. Втулка цилиндра изготовлена из специального чугуна, для охлаждения перемычек между выпускными окнами имеются специальные отверстия для циркуляции воды. Характерным для двигателей фирмы «Зульцер» является специальное чугунное кольцо, на которое устанавливается цилиндровая втулка. Кольцо облегчает демонтаж цилиндровой втулки и снимает тепловые напряжения с верхней части цилиндра.

Втулку уплотняют по рубашке с водяной стороны резиновыми кольцами, со стороны выпускных и продувочных окон — красномедными поясками.

Для подачи смазки во втулке имеются отверстия, в которые ввертывают специальные штуцеры, а со стороны зеркала втулки — специальные фигурные канавки. Для предотвращения поломки штуцеров они связаны жестко только с цилиндровой втулкой (рис. 27).

У дизелей большой мощности цилиндровые втулки выполняют из двух частей (рис. 28). Фигурные разъемы между двумя частями втулки служат для расширения верхней части втулки при нагреве.

Блок цилиндров без цилиндровых втулок двигателя 6ЧН 31,8/33 (Д-50) показан на рис. 29.

Материалом для изготовления цилиндровых рубашек служит серый чугун марок СЧ 21-40, СЧ 24-44, цилиндровые втулки судовых дизелей изготовляют из легированного хромом, никелем и ванадием перлитного чугуна марки СЧ 28-48. У напряженных быстроходных дизелей для изготовления цилиндровых втулок (гильз) применяют легированную сталь ЗОХМА.

Цилиндровые крышки служат для закрытия цилиндров и для размещения различной арматуры.Во время работы дизеля цилиндровая крышка испытывает высокие механические и тепловые нагрузки из-за неравномерного нагрева отдельных ее частей.

У двухтактных дизелей с контурной продувкой конструкция крышки наиболее проста, крышки двухтактных дизелей с прямоточноклапанной продувкой устроены сложнее из-за наличия в них выпускного клапана. Самой сложной является крышка четырехтактного дизеля, где, кроме отверстий для форсунки и клапанов, размещают каналы для подвода воздуха к впускному клапану и для отвода отработавших газов от выпускного клапана.

У небольших дизелей крышки выполняют блоками в виде целых отливок (головок).

У крупных дизелей крышки выполняют отдельно для каждого цилиндра и очень часто — из двух частей.

Крышка двигателя ДР 30/50 (рис. 30, а) имеет кольцевой бурт 1, при помощи которого она опирается на цилиндровую втулку. Между крышкой и цилиндровой втулкой установлена красномедная прокладка. Крепится крышка к блоку цилиндров при помощи восьми шпилек. Вода для охлаждения крышки поступает из зарубашечного пространства цилиндра по специальному патрубку 2 и отводится через сливное отверстие 3. Для осмотра и очистки зарубашечного пространства в крышке имеются специальные лючки, закрытые крышками 4 на прокладке из паронита.

Конструкция крышки, состоящей из двух частей, двигателя ДКРН 70/120 (МАН) представлена на рис. 30, б. Характерной особенностью ее является устройство камеры сгорания в нижней части 9 цилиндровой крышки, выполненной из жаропрочной стали; верхняя часть 8 крышки чугунная, имеет отверстия для шпилек, при помощи которых крышка крепится к цилиндру. Плотность между крышкой и втулкой достигается притиркой. Зарубашечное пространство в крышке образуется за счет концентрических каналов 5 в нижней части крышки. Форсунка монтируется в специальный стакан 7, выполненный заодно с нижней частью крышки и имеющий сальниковое уплотнение 6. Такая конструкция не вызывает в крышке тепловых напряжений из-за разности температур верхней и нижней частей крышки.

На рис. 30, в, показан поперечный разрез (относительно двигателя) цилиндровой крышки двигателя 6ЧР 32/48. В крышке смонтированы впускной и выпускной, пусковой и предохранительный клапаны, форсунка, индикаторный кран. Крепится крышка к блоку шестью шпильками. Уплотнение достигается за счет красномедного кольца, установленного между крышкой и втулкой.

Материалом для изготовления крышек судовых дизелей служит чугун марки СЧ 28-48; для верхней части разъемных крышек — СЧ 21-40, для нижней части крышек двухтактных дизелей и напряженных четырехтактных дизелей применяют сталь 35Л.

Для некоторых быстроходных дизелей общая крышка (головка) отливается из алюминиевого сплава АЛ1.

Во время сгорания топлива в цилиндре двигателя происходит резкое нарастание давления, которое действует равномерно на стенки цилиндровой втулки, цилиндровой крышки и на поршень.

Усилие, действующее на поршень и крышку у крупных дизелей, в момент максимального давления создает разрывающую нагрузку, исчисляемую десятками и даже сотнями тонн. Понятно, что чугунные стенки цилиндра не могут выдержать таких нагрузок. Для снятия разрывных усилий с корпуса цилиндра и передачи их на фундаментную раму служат анкерные связи (рис. 31); связи 1 проходят через-цилиндр 2, станину 3 и фундаментную раму 4. При сборке дизеля анкерные связи затягивают с усилием, превышающим максимальное давление газов в цилиндре на 25—50%, что заставляет работать все детали остова на сжатие. Затяжку анкерных связей осуществляют при помощи специальных гидравлических домкратов. Очень длинные анкерные связи изготовляют из двух частей и соединяют их специальными муфтами. Материал для изготовления анкерных связей — конструкционная сталь 35 или легированная 18 ХНВА.

Параллелью называется деталь, которая воспринимает через крейцкопф и ползуны боковые усилия, возникающие в головном соединении крейцкопфных дизелей и передает эти усилия на остов двигателя.

Параллели крепятся обычно к колоннам станины, имеют зарубашечное пространство для охлаждения и устройство для подвода смазки к ползунам. С тыльной стороны параллели имеют продольные и поперечные ребра жесткости.

Количество параллелей зависит от конструкции дизеля и его цилиндровой мощности и может быть 1, 2, 4. При установке одной параллели для передачи усилий на станину при заднем ходе к параллели крепят специальные нащечины (рис. 32): параллель 5 крепится к колоннам станины 1 болтами 4. Стальные нащечины 3 крепят к параллели болтами 2. Материалом для изготовления параллелей служит чугун СЧ 28-48, СЧ 24-44; для нащечин применяется сталь 35.

В данном параграфе рассмотрены конструкции наиболее типичных неподвижных деталей судовых дизелей. В некоторых судовых дизелях детали остова выполняются с отклонениями от принятых норм. Так, у двигателей ряда ДР 30/50 цилиндры отлиты по два-три в блок, причем блок цилиндров переходит в станину. Очень часто у небольших дизелей для получения жесткой конструкции фундаментную раму отливают заодно со станиной (двигатель 6ЧР31.8/33—Д-50).