Устройство судовые дизельного 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).

Судовые двигатели внутреннего сгорания (СДВС)

Дизельный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива

ИА Neftegaz.RU. Первые судовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) появились в начале 20-го века. Датское судно Зеландия, построенное в 1912 г, имело дизельную установку с 2-мя дизелями мощностью по 147,2 кВт.

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.

Дизельная энергетическая установка состоит из 1-го или нескольких основных двигателей, а также из обслуживающих их механизмов.

В зависимости от способа осуществления рабочего цикла ДВС разделяют на 4-тактные и 2-тактные.

Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува.

По частоте вращения ДВС разделяются на:

• малооборотные дизели с частотой вращения 100-150 об/мин, которые непосредственно приводят в движение судовой движитель;
• среднеоборотные — 300-600 об/мин, которые приводят в движение судовой движитель через редуктор.

До конца 1960 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 2 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 4-тактного ДВС показан на рисунке ниже.

В 4-тактном двигателе рабочий цикл осуществляется за 2 поворота коленчатого вала, т. е. за 4 хода поршня.

Механическая работа совершается только за время 1-го такта, 3 остальных служат для подготовки.

При 1-м 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 2-го 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 4-тактного 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. 3-й 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 4-го такта открывается выпускной клапан и отработавшие газы выходят наружу.

4-тактные судовые ДВС изготовляются как многоцилиндровые двигатели. Они устроены так, что рабочие такты равномерно распределяются по отдельным цилиндрам.

Принцип действия 2-тактного дизеля.

В рабочий цикл 2-тактного дизеля входят 2 такта, или 1 оборот коленчатого вала.

1-й 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 рисунке.

Впрыскивание топлива и воспламенение происходит точно так же, как и в 4-тактном ДВС.

Во время 2-го 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 1 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 4-тактных 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.

2-тактные дизели изготовляют в виде многоцилиндровых рядных двигателей с 10-12 цилиндрами.

Диаметр цилиндров больших 2-тактных 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.

2-тактные 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.

4-тактный 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. Применение среднеоборотных дизелей в качестве главного двигателя дает следующие преимущества:

— увеличение надежности (при выходе из строя одного двигателя остальные продолжают работать);

— уменьшение габаритов и собственной массы деталей (например, клапанов, поршней, кривошипных механизмов, подшипников и т. д.);

— уменьшение удельной массы, которая в зависимости от мощности составляет от 14 до 35 кг/кВт (для мощностей около 2200 кВт).

Среднеоборотные дизели используются также в дизель-электрических энергетических установках в качестве главного двигателя.

4-тактный дизель V-образной конструкции.
1 — поршень; 2 — цилиндровая гильза; 3 — коленчатый вал.