Конструкции дизелей

Представление о конструкции малооборотного дизеля дает рис.

Рис. Малооборотный двигатель S60MC компании "MAN B&W Diesel Group"

Фундаментная рама 1 двигателя составлена из высоких продольных балок соединенных сваркой со сварно-литыми поперечными корпусными конструкциями, в которых размещены рамовые опорные подшипники. Фундаментная рама, станина и блок цилиндров стянуты между собой анкерными связями 3. Втулка цилиндра 6 опирается на блок цилиндров 7 причем ее верхняя часть выведена из блока и охлаждается тонкой оболочкой, которая образует полость охлаждения. Штуцеры для подвода цилиндрового масла расположены в верхней части втулки. Крышка цилиндра 9 кованная со сверлениями для охлаждающей воды. В крышке размещается один центральный выпускной клапан через который осуществляется выпуск газов из цилиндра, две форсунки и предохранительные клапаны. Выпускной клапан 11 имеет гидравлический привод и открывается под давлением масла. В конструкции двигателя S60MC применена крышка цилиндра колпачкового типа, поэтому при нахождении поршня в ВМТ головка поршня располагается выше плоскости уплотнения крышки и втулки цилиндра. Поршень 12 изготовлен из жаростойкой хромомолибденовой стали, охлаждается маслом, которое подводится с помощью телескопического устройства к штоку 13 поршня в районе крейцкопфного соединения 15. Шатун 16 имеет сравнительно короткий стержень. Коленчатый вал 17 выполнен сварным, причем сварка осуществлена в средине рамовых шеек. Упорный вал выполнен за одно целое с коленчатым валом. Распределительный вал 14 вращается от коленчатого вала цепной передачей. Он приводит в действие выпускной клапан, плунжерные насосы высокого давления и поршни гидравлических приводов клапанов. Выпускные газы с газового коллектора 10 поступают к газотурбонагнетателю 8. Цилиндры продуваются воздухом из ресивера 5, в который они нагнетаются ГТН через охладитель 4.

Малооборотные двигатели типа МЕ компании "MAN B&W Diesel Group". В начале XXI века дальнейшее усовершенствование двигателей серии МС компании "MAN B&W Diesel Group" сдерживалось возможностями использованием компанией системы газообмена и подачи топлива. В двигателях типа МС распределительный вал управляет топливным насосом и гидравлическим приводом выпускных клапанов.

Быстрое развитие электроники позволило сначала в двигателях небольшой мощности, а в дальнейшем в СОД и МОД применить микропроцессорную технику. Вначале она предназначалась для контроля за работой, а потом и для управления процессами топливоподачи, газораспределения и смазки цилиндров. Вначале двигатели с электронным управлением выпустила фирма “Caterpillar”, затем “Zulzer” в 2001 г. и “MAN B & W” в 2003 г.

Двигатель с электронным управлением типа МЕ компанией “MAN B & W” был создан на основе модели МС. В конструкции этого двигателя отсутствовал распределительный вал с его приводом. Было введено электронное управление процессами топливоподачи, регулирования частоты вращения коленчатого вала, процессами пуска и реверса, управление выхлопным клапаном и смазкой цилиндров. Конструкции дизелей МС и МЕ показаны на рис.

Рис. Конструктивное выполнение двигателей типа МС и МЕ:

а – двигатель S60MC; б – двигатель S60ME

Рассмотрим изменения, которые произошли в двигателях МЕ сравнительно с двигателями МС. В конструкции исключены следующие элементы:

цепной привод распределительного вала;

распределительный вал с кулачками привода ТНВД и выхлопного клапана;

ранее применяемые ТНВД и привод выхлопного клапана;

электронный регулятор с усилителем и валиком управления подачей ТНВД;

механически приводные лубрикаторы.

Вместо этого установлены:

гидравлическая система масла высокого давления с насосами, которые приводятся от двигателя или электродвигателя;

электрона я система управления с датчиками положения вала;

ТНВД и выхлопные клапаны с гидравлически управляемым приводом;

встроенные в систему электронного управления функции регулятора частоты вращения и пуска приводных воздуходувок;

лубрикаторы с электронным управлением.

Управление впрыском топлива и выхлопными клапанами осуществляется гидравлическими сервоприводами. Для этого масло из циркуляционной системы смазки пропускается через самоочищающийся десятимикронный ФТО и насосами с приводами от двигателя или электропривода (во время пуска) сжимается до 20 МПа (рис. ).

Сжатое масло подается в аккумуляторы, из которых оно через управляемые клапаны попадает к гидроусилителям давления впрыскивания топлива и насосов гидропривода выхлопных клапанов.

Электронно-управляемые клапаны ELF (впрыскивание топлива) и ELVA (открытие выхлопных клапанов)открываются под действием сигнала, который поступает от электронных блоков CCU, установленных на текущем цилиндре. Гидроусилители давления впрыскивания топлива представляют собой поршневые сервомоторы, в которых на поршень большего диаметра воздействует давление масла в 20 МПа, а поршень с диаметром в пять раз меньше, который является продолжением большего поршня, при движении вверх сжимает топливо до 100 МПа. Момент подачи масла под поршень сервомотора гидроусилителя определяется подачей управляющего импульса от блока CCU.

Программа СCU позволяет изменять фазы открытия и закрытия выхлопных клапанов в зависимости от режима работы двигателя. Это обеспечивает более экономичную устойчивую работу на малых нагрузках.

Электронная система управления обеспечивает синхронизацию нагнетательного хода плунжера лубрикатора с ходом поршня рабочего цилиндра путем подачи в необходимый момент электрического сигнала на соленоидный клапан лубрикатора от управляющего электронного блока CCU. Соленоидный клапан открывает доступ сервомаслу к поршню сервомотора, который перемещает плунжер лубрикатора. На малых нагрузках изменяется частота подачи масла через каждые 4, 5, 6 оборотов коленчатого вала. Благодаря электронной системе продолжительность подачи масла лубрикатором составляет 25 мс, что соответствует частоте вращения 100 мин^-1, соответствует 0,25⁰ поворота коленчатого вала. Экономия в расходе цилиндрового масла в двигателях типа МЕ составляет более 0,3 г/(кВт∙час).

Рассмотрим изменения, которые произошли в двигателях МЕ сравнительно с двигателями МС. В конструкции исключены следующие элементы:

цепной привод распределительного вала;

распределительный вал с кулачками привода ТНВД и выхлопного клапана;

ранее применяемые ТНВД и привод выхлопного клапана;

электронный регулятор с усилителем и валиком управления подачей ТНВД;

механически приводные лубрикаторы.

Вместо этого установлены:

гидравлическая система масла высокого давления с насосами, которые приводятся от двигателя или электродвигателя;

электрона я система управления с датчиками положения вала;

ТНВД и выхлопные клапаны с гидравлически управляемым приводом;

встроенные в систему электронного управления функции регулятора частоты вращения и пуска приводных воздуходувок;

лубрикаторы с электронным управлением.

Управление впрыском топлива и выхлопными клапанами осуществляется гидравлическими сервоприводами. Для этого масло из циркуляционной системы смазки пропускается через самоочищающийся десятимикронный ФТО и насосами с приводами от двигателя или электропривода (во время пуска) сжимается до 20 МПа (рис. ).

Сжатое масло подается в аккумуляторы, из которых оно через управляемые клапаны попадает к гидроусилителям давления впрыскивания топлива и насосов гидропривода выхлопных клапанов.

Электронно-управляемые клапаны ELF (впрыскивание топлива) и ELVA (открытие выхлопных клапанов)открываются под действием сигнала, который поступает от электронных блоков CCU, установленных на текущем цилиндре. Гидроусилители давления впрыскивания топлива представляют собой поршневые сервомоторы, в которых на поршень большего диаметра воздействует давление масла в 20 МПа, а поршень с диаметром в пять раз меньше, который является продолжением большего поршня, при движении вверх сжимает топливо до 100 МПа. Момент подачи масла под поршень сервомотора гидроусилителя определяется подачей управляющего импульса от блока CCU.

Программа СCU позволяет изменять фазы открытия и закрытия выхлопных клапанов в зависимости от режима работы двигателя. Это обеспечивает более экономичную устойчивую работу на малых нагрузках.

Электронная система управления обеспечивает синхронизацию нагнетательного хода плунжера лубрикатора с ходом поршня рабочего цилиндра путем подачи в необходимый момент электрического сигнала на соленоидный клапан лубрикатора от управляющего электронного блока CCU. Соленоидный клапан открывает доступ сервомаслу к поршню сервомотора, который перемещает плунжер лубрикатора. На малых нагрузках изменяется частота подачи масла через каждые 4, 5, 6 оборотов коленчатого вала. Благодаря электронной системе продолжительность подачи масла лубрикатором составляет 25 мс, что соответствует частоте вращения 100 мин^-1, соответствует 0,25⁰ поворота коленчатого вала. Экономия в расходе цилиндрового масла в двигателях типа МЕ составляет более 0,3 г/(кВт∙час).

Рис. Схема гидросистемы управления впрыском топлива и выхлопными клапанами:

МН – циркуляционный масляный насос с эллектроприводом; МН1, МН2, МН3 – масляные насосы с электроприводами; МН4, МН5 – масляные насосы с приводом от главного двигателя; АК – аккумулятор масла; CCU1 … CCU5 – электронные блоки; ELF1 … ELF5 – электронно управляемые клапаны топливных насосов; ELVA1 …ELVA5 – электронно управляемые клапаны управления газовыпуском; ТНВД1 … ТНВД5 – топливные насосы высокого давления; Ц1 … Ц5 – цилиндры двигателя

На рис. приведен поперечный разрез двигателя 5S60МЕ-7

Фундаментная рама выполнена монолитной с размещением блока гидравлической мощности и упорного подшипника в кормовом конце двигателя. Она состоит с высоких сваренных продольных и поперечных балок с литыми постелями подшипников. Для крепления к судовому фундаменту используются болты и приспособления для гидрозатягивания. Фундаментная рама выполняется без уклона. К ней приваривается масляный поддон из стального листа. Рамовые подшипники состоят из стальных вкладышей залитых баббитом.

Картер 13 выполняется литым или сварным. На стороне выпуска двигателя предусмотрены предохранительные клапаны и люки для каждого цилиндра. Картер соединяется с фундаментной рамой анкерными болтами.

Втулки цилиндров 5 отлиты из легированного чугуна. Втулка цилиндра имеет впускные окна и сверления для штуцеров цилиндровой смазки.

Крышка цилиндра стальная с полостями для охлаждающей воды. для охлаждающей воды. Она имеет центральное отверстие для выпускного клапана и каналы для двух форсунок, предохранительного и пускового клапанов и индикаторного крана.

Рис. Поперечный разрез двигателя 5S60ME-C7:

1 – фундаментная рама; 2 – коленчатый вал; 3 – шатун; 4 – воздушный ресивер; 5 – втулка цилиндра; 6 – крышка цилиндра; 7 – турбокомпрессор; 8 – газовыпускной клапан; 9 – газовый ресивер; 10 – поршень; 11 – гидравлический блок; 12 – шток поршня; 13 – картер; 14 – масляный поддон; 15 – воздухоохладитель

Коленчатый вал 2 – полусоставной. На кормовом конце вал имеет фланец для маховика, фланец для мультипликатора, который обеспечивает работу блока гидравлической мощности. Шатун 3 стальной, кованый. Головка поршня 10 изготовлена из жаропрочной стали.

В то же время для СОД характерны ми некоторые недостатки по сравнению с МОД. Моторесурс СОД значительно меньше, чем у МОД, а наличие дополнительных потерь в редукторе и муфтах снижает КПД установки. Наличие большего количества цилиндров усложняет эксплуатацию, такие установки имеют повышенный шум. Тепловая схема СЭУ с СОД идентична схеме с МОД за исключением наличия передачи между ГД и валопроводом.

Рис. Основные конструктивные узлы среднеоборотного дизеля

Среднеоборотные двигатели компании “B&W Diesel Group”. Наиболее распространенным среди двигателей этой компании есть модельный ряд двигателей L/V 32/40, L 40/54, L/V 48/60, L58/64. Особенности конструкций двигателей данного модельного ряда рассмотрим на примерах СОД L48/50 и V48/60 (рис. ). Остов двигателя представляет собой моноблок. Который объединяет фундаментную раму и блок цилиндров. От нагрузок растяжения и соответствующих деформаций он защищен анкерными связями и длинными шпильками крепления крышек цилиндров.

Рис. Среднеоборотный двигатель L48/60:

1 – поддон; 2 – фундаментная рама; 3 – шпильки крепления рамовых подшипников; 4 - противовес; 5,12,14 – предохранительный, выпускной и впускной клапаны соответственно; 6,16 – соответственно коленчатый и распределительный валы; 7 – шатун; 8 – втулка цилиндра; 9 – поршень; 10 – блок цилиндров; 11,13 – впускной и выпускной коллекторы соответственно; 15 – топливный насос

Рис. Среднеоборотный двигатель V 48/60:

1 – поддон; 2, 16 – шпильки соответственно крепления подшипников и блока цилиндров; 3 – фундаментная рама; 4 – противовес; 5,6 – соответственно коленчатый и распределительный валы; 7,17 – главный и прицепной шатуны соответственно; 8 – втулка цилиндров; 9 – блок цилиндров; 10 – топливный насос; 11 – поршень; 12,15,18 – соответственно впускной, выпускной и предохранительный клапаны; 13,14 – впускной и выпускной коллекторы соответственно

Отдельные для каждого цилиндра рубашки вызывают наименьшую деформацию гильз цилиндров, малый износ втулок, отсутствие деформирующего влияния на соседние цилиндры. Втулки цилиндров устанавливаются на высокие оболочки, которые находятся сверху блока. Охлаждение втулок осуществляется только в зоне оболочек, нижняя их часть не охлаждается. Толстостенные втулки и индивидуальные для каждого цилиндра оболочки обеспечивают минимальные деформации зеркала цилиндра, что позволяет уменьшить зазоры между поршнем и втулкой.

Смазка цилиндров обеспечивается лубрикаторами по отводам, которые выходят на поверхность цилиндра в зоне между поршнем и вторыми компрессионными кольцами при положении поршня в НМТ. Крышка цилиндра – с двойным днищем: тонкое днище для уменьшения температурных напряжений и вышерасположенное толстое днище для уменьшения механических нагрузок от действия высокого давления газов. Охлаждаются только корпусы верхних впускных и выпускных клапанов. Выхлопные клапаны для обеспечения их проворачивания выпускными газами оснащены импеллерами.

Шатун выполнен с разъемом в верхней части стержня, что позволяет вынимать поршень без разборки нижней головки шатуна. Для уменьшения длины дизеля в V-образном исполнении использованы прицепные шатуны.

Поршень – составной, его головка выполнена стальной, кованой, юбка – кованная, алюминиевая. Охлаждение поршня осуществляется маслом, которое по стержню шатуна подается к верхней головке, а потом – в охлаждающую полость поршня.

С целью снижения интенсивности образования сажи на выхлопе была интенсифицирована подача топлива, увеличено максимальное давление впрыскивания до 160 МПа. Максимальное давление увеличено до 20 МПа, удельный расход топлива уменьшился по сравнению с ранними конструкциями фирмы.

Средне- и высокооборотные дизели выполняются четырехтактными.

Дизельные установки с высокооборотными дизелями. К высокооборотным относятся такие двигатели, у которых частота вращения коленчатого вала превышает 750 мин^-1, поэтому в состав пропульсивной установки обязательно входит понижающая передача на движитель. Принципиальные структурные схемы ДРА с ВОД не отличаются от схем ДРА с СОД.

Высокооборотные дизеля имеют меньшие массогабаритные показатели по сравнению с СОД, меньшую стоимость и хорошую ремонтопригодность. В то же время они уступают СОД по экономичности, ресурсу и требуют легкого дизельного топлива.

Для установок с ВОД характерно применение навешенных на двигатель вспомогательных механизмов (электрогенераторов, компрессоров сжатого воздуха, насосов), что упрощает компоновку систем и уменьшает нагрузку СЭС. Кроме этого навешенные механизмы могут снизить надежность и ремонтопригодность установки.

Наибольшее распространение ВОД как главные получили на рыболовных сейнерах, судах речного флота, портовых буксирах, катерах, СПК. Они также применяются на всех судах как приводы вспомогательных и аварийных генераторов электрического тока. На рис. приведен двигатель серии М601 фирмы “MaK”.

Рис. Поперечный разрез двигателя серии М601 фирмы “MaK”.

В состав двигателя входят: станина 2 на фундаментной раме 1 с составным коленчатым валом 3, блок цилиндров 4 с высокой жесткостью, азотированные втулки цилиндров 5; выпускные клапаны 6 в головке цилиндров 7, имеющие интенсивное охлаждение; износостойкие поршни 8 с канавками для поршневых колец, поршневые кольца с хромированной рабочей поверхностью.

Таблица Компании – производители судовых двигателей внутреннего сгорания

Мировым лидером производства малооборотных дизелей является компания MAN B&W Diesel Group, которая была образована в 1980 г. слиянием двух дизелестроительных компаний, одна изкоторых – немецкая компания ”MAN”, вторая – датская ”Burmeister & Wain”. Главные научно-технические центры компаний находятся в городах Аугсбург (Германия) и Копенгаген (Дания). Дизели компании MAN B&W изготовляют 34 лицензиата в 19 странах. Мощность МОД, ежегодно производимых компанией за последние 10 лет, составляют 58…65 % мощности двигателей мирового производства, СОД – около 20 %.

Швейцарская компания ”Sulzer” начала производить ДВС в 1898 г. Сейчас компания “New Sulzer Diesel Ltd” вошла в состав концерна “Wartsila”, который в основном разрабатывает и выпускает МОД, СОД и ВОД. На сегодня компания занимает второе место в мире по выпуску дизелей.

Японская фирма “Mitsubishi Heavy Industries Ltd” выпускает 19 типов МОД и занимает третье место в мире по их выпуску МОД. Наряду с дизелями фирма выпускает турбокомпрессоры, паровые турбины и котлы, турбогенераторы и насосы, краны, а также гребные винты по лицензии фирмы ”CVaMeWa”.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Характеристикой двигателя называется зависимость его показателей от одного из независимых параметров. Характеристики двигателя могут быть получены расчетным путем или экспериментально.

Нагрузочной характеристикой называется зависимость показателей двигателя от его мощности (или среднего эффективного давления) при номинальной частоте вращения коленчатого вала.

Рис Нагрузочные характеристики малооборотного дизеля K108 ME-C

Рис. Нагрузочные характеристики малооборотного дизеля S60MC-C7