Схема газораспределения четырехтактного двигателя

Управление процессами впуска в цилиндр свежего заряда и выпуска отработавших газов в двигателях осуществляется с по­мощью механизма газораспределения. Механизм газораспреде­ления четырехтактного двигателя состоит из впускных и выпускных клапанов, управляемых клапанным приводом. В двухтактных двигате­лях газораспределение производит­ся рабочим поршнем через проду­вочные и выпускные окна или через продувочные окна в цилиндре и вы­пускной клапан в крышке. На про­цесс газообмена в двухтактных дви­гателях отводится 130—150° угла поворота коленчатого вала, а в че­тырехтактных 400—450°.

На рис. 155 показан один из клапанных приводов механизма га­зораспределения четырехтактного двигателя. Он состоит из распреде­лительного вала 1 с кулачными шайбами 2, толкателей 3, штанг 4 и клапанных рычагов 5 . При распо­ложении распределительного вала непосредственно над клапанами привод к ним упрощается.

Распределительный вал приводится во вращение от коленча­того вала. Виды передач, которые можно осуществить посредством промежуточного вертикального вала, зубчатой передачи и цепного привода, представлены на рис. 156. Цепную передачу к распределительному валу применяют при значительном расстоянии между коленчатым и распределительным валами (двигатели ДКРН). Передача с помощью вертикального вала проста, по усложняет демонтаж цилиндровых крышек.

Впускные и выпускные клапаны судовых двигателей чаще всего устанавливают вертикально в крышке цилиндра. Если расределительиый вал находится над клапанами, то применяется наклонное расположение клапанов. Они открываются внутрь ци­линдра, поэтому при работе двигателя клапаны подвергаются не только динамическим нагрузкам, но и действию высоких тем­ператур. Выпускной клапан работает в более тяжелых темпера­турных условиях, чем впускной, который периодически охлаж­дается засасываемым холодным воздухом.

Материал клапанов должен обладать достаточной прочно­стью при высоких температурах, износоустойчивостью и антикор­розионными качествами. Впускные клапаны тихоходных двигате­лей изготовляют из углеродистых (сталь 40, 45 и др.) и легиро­ванных сталей (40ХН, 50ХН, 65XН и др.), а выпускные кла­паны— из высококачественных сталей (ЭЯ2, ЭЯ3С, ЭСХ8М, ЭН107, ЭН69, ЭН72). В быстроходных двигателях впускной и вы­пускной клапаны выполнены взаимозаменяемыми. Применяют клапаны с отдельным съемным корпусом и без корпуса. В круп­ных судовых двигателях клапаны помещают в отдельных корпусах, монтируемых в крышке цилиндра.

У тихоходных четырехтактных двигателей устанавливают один впускной и один выпуск­ной клапаны. Для лучшего наполнения ци­линдра диаметр впускного клапана немного больше диаметра выпускного. В быстроход­ных двигателях часто применяют по два впускных и два выпускных клапана. Количе­ство выпускных клапанов у двухтактных дви­гателей иногда достигает четырех. Как пра­вило, клапаны выполняют цельными. Клапан (рис. 157, а) состоит из штока 6, изготовлен­ного как одно целое с тарелкой 1 , плотно при­легающей к съемному посадочному гнезду 2. Предохранительный стакан 14 предупреж­дает сгорание и последующее коксование сма­зочного масла, подаваемого к штоку 6 кла­пана из масленки 5. Направляющая втулка 13 для штока впрессована в чугунный корпус 4 клапана. Корпус имеет охлаждаемое зарубашечное пространство 3 , в которое попадает вода из цилиндровой крышки.

Клапан закрывается двумя комплектами пружин 10 и 11 , разделенных средней направ­ляющей тарелки 12. Верхняя направляющая тарелка 7 соединяется со штоком клапана с помощью разъемных конических колец 8. Упругое кольцо 9 предназначено для удержа­ния клапана при смене пружин. На рис. 157, б и в показаны со­ставные части клапана ( 1 — шток; 2 — тарелка).

По Правилам Регистра на каждом рабочем цилиндре двигателя должен быть установлен клапан, предохраняющий ци­линдр от чрезмерного повышения давления газов при неисправно­стях топливной аппаратуры и неправильном пуске двигателя, а так­же при чрезмерно большой подаче топлива в цилиндр. Предохрани­тельные клапаны выполняют пружинного типа. Клапан срабатывает, если давление в цилиндре окажется выше нормального давления вспышки на 25%. Устройство клапана ясно видно на рис. 158.

Пусковые клапаны бывают автоматические и управляемые. Последние выполняют с пневматическим или механическим приводом управления. На рис. 159 показан пусковой клапан с воз­душным управлением. Стальной грибообразный клапан 14 в закры­том состоянии удерживается пружиной 11 . Направляющая часть 1 штока клапана имеет диаметр, близкий к диаметру самого кла­пана (это обеспечивает уравновешенность клапана), и переме­щается в направляющей втулке 13. Кольцевые канавки на направ­ляющей части штока уменьшают утечку воздуха. При пуске сжатый воздух системы управления из воздухораспределителя поступает в полость над поршнем 9, в результате чего последний переместит пусковой клапан 14 вниз и пусковой воздух по каналу 2 будет поступать в рабочий цилиндр двигателя. Когда поступление воздуха в полость прекратится, пружина 11 закроет пусковой кла­пан. Через масленки 4, 8 и 12 к трущимся частям пускового кла­пана подводится смазка. Красномедные прокладки 3 и 15 обеспе­чивают уплотнение корпуса 10 клапана. Сальник 5 с нажимной гайкой 6 уплотняют выход штока клапана через крышку 7 кла­пана. Корпус и крышка клапана чугунные. Открывается пусковой клапан для тихоходных четырехтактных двигателей за 0—5°, а для быстроходных за 5—15° до в. м. т., момент закрытия соответ­ственно 70—80 и 60—70° за в. м. т. Для двухтактного двигателя подвод пускового воздуха прекращается до открытия выпускных окон.

Механизм газораспределения четырехтактного и двухтактного двигателей.

Газораспределительный механизм обеспечивает своевремен­ное поступление в цилиндры топлива, свежего воздуха и вы­пуск газов.

В 4-х-тактных двигателях эти процессы осуществляются впус­кными и выпускными клапана­ми, приводимыми в действие рас­пределительным валом. Распре­делительный вал соединяется с коленвалом через шестеренчатую или цепную передачу.

Двухтактные двигатели, как правило, имеют контурное газо­распределение, для чего в цилин­дре сделаны окна, открывающи­еся и закрывающиеся самим пор­шнем, который выполняет фун­кции распределительного золот­ника. Это самая простая конст­рукция. В некоторых двухтакт­ных двигателях имеется прямо­точно-клапанная или прямоточно-щелевая продувка. При пря­моточно-клапанной продувке газы выпускаются через клапа­ны, установленные в крышках цилиндра, а подача воздуха — через окна во втулке.

Распределительный вал от­крывает в определенной после­довательности впускные и вы­пускные клапаны при помощи имеющихся на нем профиль­ных кулачных шайб. У нере­версивных двигателей распред­валы имеют только одинарные кулачные шайбы, у реверсив­ных — сдвоенные, переднего и заднего хода для впускных и выпускных клапанов.

Кулачные шайбы впускных и выпускных клапанов и ТНВД у нереверсивных двига­телей изготовлены заодно с распредвалом и расположены в соответствии с фазами газо­распределения и порядком ра­боты цилиндров.

У реверсивных дизелей кулачные шайбы закреплены на рас­предвале, При набегании ролика штанги на выступ кулачной шайбы клапаны открываются, а при сбегании ролика на ци­линдрическую часть шайбы клапаны закрываются под воздей­ствием пружины.

Толкатели передают осевое усилие от толкателя к рычагу. Рычаг (коромысло) служит для передачи усилия от штанги или кулачной шайбы к клапану. Рычаг выполняют неравноплечим. Длинное плечо, сопряженное со стержнем клапана, снабжают бойком, роликом или плоским наконечником на сферической опоре. В коротком плече расположен регулировочный болт, с помощью которого устанавливается нужный тепловой зазор в механизме газораспределения.

В современных СОД вместо регулировочного болта используют гид­равлический толкатель, который автоматически устраняет зазор в кла­панном механизме.

В современных МОД механический привод выпускного клапана за­менен на гидропневма­тический. Такой привод повышает надежность работы, уменьшает шум, износ, устраняет удары в приводе, увели­чивает срок службы клапана.

Коллекторы всасывающие и выхлопные. Глуши­тели. Наддув 4-х-тактного и 2-х-тактного двигателей. Системы наддува.

Система воздухоснабжения состоит из газотурбонагнетателя, воздухоохладителя, ресивера, воздуховодов, глушителей шума в системе воздухоснабжения.

Классификация систем:

Системы воздухоснабже­ния классифицируются по следующим признакам:

1. По числу ступеней сжатия воздуха: одно- и двухступенчатые.

В 4-х-тактных двигате­лях без наддува ГТН отсут­ствует. Их системы возду­хоснабжения работают без сжатия воздуха благодаря всасывающему действию поршней двигателей.

2. По числу компрессо­ров: бескомпрессорные, одно- и многокомпрессор­ные.

3. По назначению и числу теплообменников; с охладителями и подогревателями воздуха.

4, По способу поддержанию параметров воздуха: нерегулиру­емые и регулируемые.

Элементы системы.

1. Центробежные, поршневые и роторно-лопастные компрес­соры.

Центробежные — это газотурбонагнетатели (ГТН).

Поршневые — это продувочные насосы на двухтактных дви­гателях, они приводятся от коленчатого вала. У таких двигате­лей первая ступень наддува от ГТН, вторая ступень — проду­вочные насосы.

2. Ресиверы воздушные могут быть выносными (автономны­ми), либо встроенными, как в V-образном двигателе (между цилиндрами V-образного двигателя).

Система газоотвода.

Система газоотвода состоит из выпускных кол­лекторов, газотурбонагнетателей (ГТН), газоотводов, глушителей, утиль-котлов.

Выпускные коллекторы предназначены для отвода из цилиндров отработавших газов.

Глушители снижают шум отработавших га­зов.

Искрогаситель устанавливается внутри глушителя или за ним. Он служит для гашения искр, вылетающих вместе с выпуск­ными газами. Искры — это частички раскаленной сажи, увлека­емой потоком газа со стенок выпускного коллектора и выпускных труб. Искрогашение производится путем разбрызгивания воды на пути газов перед выходом из глушителя. Вода подводится к искрогасителю по специальным трубам и по стенкам глушителя стекает в его нижнюю часть, а оттуда по сборной трубе отводится через грязевик, находящийся в нижней части глушителя. На глу­шителе устанавливают патрубок для слива воды в отливную трубу.

При прохождении по газовыпускному трубопроводу выпускные газы охлаждаются, в связи с чем температура трубопровода по длине различна. В местах наибольшего нагревания рядом с вы­пускным коллектором двигателя обязательно ставят компенсатор для компенсации тепловых напряжений. Кроме того, компенса­торы могут быть установлены и в других точках трубопровода, чтобы уменьшить влияние вибрации двигателя на корпусные конструкции. В основном применяют линзовые и сильфонные компенсаторы.

Газовыпускные трубопроводы крепят на пружинных под­весках, воспринимающих массу труб и не препятствующих их тепловому расширению. Эти трубопроводы от всех двигателей в виде пучка проходят под кожухом судовой дымовой трубы; каждая выпускная труба имеет отдельный выход в атмосферу. С целью удобства эксплуатации глушитель с искрогасителями обычно размещают также под кожухом этой трубы. На газо­выпускных трубопроводах во избежание попадания дождевой и забортной воды внутрь двигателя устанавливают заглушки — шиберы или клинкетные задвижки.

Если газоотвод производится не через судовую дымовую трубу, а через отверстие в борту, то перед выводом за борт на трубе делается вертикальная полупетля для предохранения дви­гателя от попадания в него воды.

Диаметр труб газовыпускного трубопровода выбирается из условий движения газов по трубам со скоростью, не превыша­ющей 20—30 м/с. Меньшая скорость принимается при длинном газовыпускном тракте и при наличии в системе утилизационного котла, глушителя и искрогасителя. Обычно внутренний диаметр газовыпускного трубопровода соответствует диаметру отверстия фланца на выпускном коллекторе дизеля.

Выпускной трубопровод следует охлаждать водой или покры­вать тепловой изоляцией, обеспечивающей на его наружной поверхности температуру не более 60 °С. Если газовыпускной трубопровод проходит вблизи деревянных конструкций или то­пливных цистерн, он должен иметь рубашку, охлаждаемую водой. I

На судах, где установлены утилизационные котлы, исполь­зующие тепловую энергию выпускных газов, газовыпускной трубопровод должен разветвляться и обеспечивать подачу газа в утилизационный котел и в обход его. Для этого на нём ставят заслонку, которой регулируется количество газа, подаваемого в котел и в обход его. Целесообразно автоматизировать работу заслонки, которая в зависимости от давления пара в паровых котлах или температуры воды в водогрейных котлах регулирует количество подаваемого газа. Для сокращения количества обору­дования утилизационные котлы одновременно выполняют функции глушителя, а глушители одновременно являются и искрогаси­телями. Только на танкерах и толкачах-буксирах, предназначен­ных для перевозки нефтепродуктов разрядов I и II, устанавливают независимые искрогасители «мокрого» типа.

Схема газовыпускной системы речного теплохода грузоподъем­ностью 1000 т приведена на рис. 3.61. Газы после турбонагнета­теля 2 главного дизеля 6ЧНСП 27,5/36 поступают по трубопро­воду 4 в утилизационный котел-глушитель 6 и далее отводятся в атмосферу. Вспомогательный дизель 1 имеет самостоятельную систему выпуска газа. На его выпускном трубопроводе имеется компенсатор 7. Перед выпуском газов в атмосферу в фальштрубе устанавливается глушитель 5. Для предохранения членов эки­пажа от возможных ожогов газовыпускной трубопровод покрыт теплозащитной изоляцией 3.

Элементы системы.

1. Выпускные коллекторы подразделяются на однотрубные и многотрубные, охлаждаемые изо­лированные, изолированные с охлаждаемым или неохлаждаемым кожухом.

2. Глушители шума могут быть активного (по­ложительного) или пассивного (расширитель­ного) типа.

3. Газоотводы имеют компенсаторы линзово­го (сильфонного) или поршневого типа.

Топливная система.

На всех судах, где для главных и вспомо­гательных котлов и двигателей применяют жидкое топливо, имеется топливная система, которая предназначена для приема топлива с берега или другого судна, передачи топлива на берег или другое судно, размещения топлива по запасным цистернам, подачи топлива к расходным цистернам, подачи топлива от рас­ходных цистерн к топливным системам двигателей или котлов, отвода отсечного топлива от топливных систем двигателей в за­пасные цистерны, подвода топлива к фильтрам и сепараторам, отвода топлива от фильтров и сепараторов.

Движение жидкого топлива по трубопроводу осуществляется с помощью одного или нескольких топливоперекачивающих элек­тронасосов. Для аварийных случаев предусматривают еще и руч­ные топливные насосы.

Топливный трубопровод делится на две ветви: всасывающую и нагнетательную. Всасывающая ветвь объединяет все участки трубопровода, которые можно подключать к всасывающим по­лостям насосов, а нагнетательная — все участки трубопровода, которые можно подключать к нагнетательным полостям насосов.

На рис. 3.57 показана схема топливной системы машинного отделения с двигателями внутреннего сгорания. Из главной топливной цистерны 1 топливо подается в расходную цистерну 6 насосом 3. На случай выхода этого насоса из строя имеется ручной насос 2. Наличие и уровень топлива в расходной цистерне контро­лируют по топливомерному прибору 7. Во избежание переполне­ния цистерны 6 при подкачивании в нее топлива предусмотрена сливная труба 5. Механические примеси и вода, содержащиеся в топливе, оседают на дно расходной цистерны и спускаются из нее через кран 4.

При открывании крана 5 топливо самотеком поступает к то­пливоподкачивающему насосу 9, который направляет его через фильтры 10, 11 и 12 к топливным насосам высокого давления 21. Последние в определенные моменты времени впрыскивают то­пливо в цилиндры 18 через форсунки 19. Перед форсунками уста­навливают щелевые стержневые фильтры 20. Часть топлива, подаваемого топливными насосами высокого давления, может просачиваться между деталями форсунки. Это топливо соби­рается в сливной магистрали 17 и отводится для вторичной подачи к топливным насосам.

На небольших по габаритам двигателях все топливные насосы высокого давления монтируют в общем корпусе. В этом случае каждый из них называется насосным элементом, а все они вме­сте — насосом блочного типа. В верхней части схемы изображен двигатель 15 с таким насосом 13. Подача топлива от него осу­ществляется по форсуночным трубкам 14 к форсункам 16 каждого цилиндра двигателя. Для очистки топлива от имеющихся в нем механических примесей установлены фильтры грубой и тонкой очистки. Сдвоенный фильтр 10 служит для грубой очистки то­плива, а одинарный 11, сдвоенный 12 и стержневой 20 — для окончательной очистки.

Имеющиеся на судне топливные цистерны подразделяются на цистерны для хранения основного запаса топлива (запасные цистерны) и расходные цистерны или баки, из которых двигатели и котлы непосредственно получают топливо. Количество и вме­стимость запасных цистерн зависят от назначения судна, состава и мощности его энергетической установки и обычно принимаются из расчета ее непрерывной работы на эксплуатационном режиме в течение 25—30 сут.

Запасные топливные цистерны устанавливают чаще всего в междудонном пространстве или по бортам в районе машинно­котельных отделений. При несоблюдении правил приема топлива на судно в запасные цистерны может попасть некоторое количество воды и грязи, что приводит к засорению цистерн и выходу из строя топливной аппаратуры двигателя внутреннего сгорания или котла. С целью защиты топливной аппаратуры двигателей всасывающий патрубок в запасной цистерне размещают на не­котором расстоянии от дна цистерны и на его конец надевают приемную сетку, а на пути движения топлива ставят фильтры. Периодически из запасных цистерн удаляют отстой грязи и воды.

Для контроля за наличием топлива в цистернах предусмотрены колонки, а на расходных цистернах — мерные рейки, мерные бачки или указатели поплавкового типа. На цистернах иногда ставят измерительные трубы с футштоками.

Расходные цистерны или баки предусматривают для каждого двигателя и котла отдельно. Их размещают по бортам на высоте, обеспечивающей необходимый статический напор топлива у фор­сунок котлов и топливоподкачивающих насосов двигателей. Рас­ходные цистерны и баки одного отсека иногда соединяются между собой уравнительным трубопроводом.

Топливо, хранящееся в запасных и расходных цистернах, испаряется, особенно при высоких температурах. Во избежание взрывов топливных паров цистерны необходимо постоянно венти­лировать. Ддя этого к ним подводится трубопровод естественной вентиляции. ^Вентиляционные головки снабжены огнезащитными сетками и выводятся на верхнюю палубу судна в места, защищен­ные от попадания искр и наиболее безопасные в отношении воз­никновения пожара.

Для снижения вязкости топлива при низких температурах, особенно в хранилищах котельного топлива, устанавливается система обогрева’ топлива. На случай возникновения пожара к цистернам для топлива подводится трубопровод парового тушения.

Топливо, принимаемое на судно, проходит две стадии филь­трации: первую — перед поступлением в топливную систему

двигателя и вторую — через фильтры тонкой очистки или сепа­раторы. Окончательная очистка топлива происходит в топливной системе самого двигателя. Особые требования к очистке топлива предъявляются на судах с двигателями внутреннего сгорания, топливная аппаратура которых чувствительна даже к малейшим механическим частицам ввиду высокой точности обработки и пригонки деталей.

Топливные насосы.

1. Топливная система обеспечивает подачу топлива в рабочие цилиндры. Она состоит из системы низкого и высокого давле­ния.

2. Система низкого давления предназначена для подачи топ­лива в систему высокого давления и включает в себя цистерны, фильтры, насо­сы, сепараторы, подогреватели и топливо проводы с арматурой.

3. Система высо­кого давления пред­назначена для впрыска топлива в камеру сгорания и включает в себя ТНВД и форсунки, соединенные топли­вопроводом высоко­го давления.

4. Насосы в системе низко­го давления — это топливоподкачивающие насосы. Они обычно шестеренчатые или поршневые с приводом от ко­ленвала.

Система высокого давле­ния.

ТНВД выполняются либо автономными для каждого цилиндра, либо блочными (для высокооборотных двига­телей). ТНВД разделяют на золотниковые и клапанные. В золотниковых ТНВД дозиро­вание подачи топлива осуще­ствляется плунжерами — зо­лотниками, а в клапанных — специальными клапанами с механическим приводом от толкателей, связанных с плун­жером. Плунжер с толкателем приводится в движение от ку­лачковой шайбы распредвала.

Масляные насосы, подаю­щие масло в нагнетательную магистраль, называются цир­куляционными. Они бывают шестеренчатыми или винтовыми, навешенными или автоном­ными.

Лубрикаторы — это многоплунжерные насосы, в которых каждый плунжер обеспечивает периодическую подачу неболь­ших порций масла к одному отверстию на втулке цилиндра. Они приводятся в движение от коленвала через систему приво­дов или от распредвала и имеют устройство дозировки, позво­ляющее изменять момент и длительность подачи масла на по­верхность цилиндра.