Устройство судовых дизельных двигателей

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).

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.