Судовые двигатели внутреннего сгорания

Работа судового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) начинается с сжигания смеси топлива и воздуха внутри цилиндра. Этот процесс создает энергию, которая преобразуется в движение поршня и передается через коленчатый вал к приводным механизмам судна. При этом отработавшие газы удаляются из цилиндра, и цикл работы двигателя повторяется.

Работа судового двигателя обеспечивает приведение в движение судна, преобразуя энергию от сгорания топлива внутри цилиндров в механическую энергию. Это позволяет судну передвигаться по воде и осуществлять свои функции, такие как перевозка грузов или пассажиров.

Устройство и системы ДВС

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – тепловой двигатель, в котором в результате сгорания топлива, расширения газообразных продуктов сгорания и их давления на поршень совершается механическая работа. Возвратно-поступательное движение поршня при помощи кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Комплекс последовательных процессов:

• наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха и его сжатие;
• впрыск топлива и его сгорание;
• расширение продуктов сгорания и выпуск их из цилиндра;

называется рабочим циклом.

На рис. 1 схематично изображен двигатель внутреннего сгорания, состоящий из остова, отдельных механизмов, деталей и систем.

Остов двигателя состоит из неподвижных деталей:

• фундаментной рамы 13, крепящейся к фундаментным балкам 14;
• станины 12;
• цилиндра 9 и цилиндровой крышки 7.

Внутреннее пространство, образованное станиной и фундаментной рамой, называется картером.

К группе деталей кривошипно-шатунного механизма (механизма движения) относятся: поршень 3 с компрессионными и маслосъемными кольцами, соединенный с помощью поршневого пальца 4 с шатуном 10. Нижняя головка шатуна 11 соединена с шейкой кривошипа 2 коленчатого вала 1.

Механизм газораспределения предназначен для управления рабочим процессом двигателя. Он состоит из впускных 5 и выпускных 8 клапанов и клапанного привода, осуществляющего их открытие и закрытие в определенный момент. Для подачи топлива в цилиндр служит форсунка 6.

Нормальное протекание рабочих процессов в цилиндрах двигателя и его длительную и надежную работу обеспечивают системы, каждая из которых выполняет определенные функции.

Топливная система служит для подачи топлива в цилиндры двигателя.

Смазочная система предназначена для подачи масла ко всем трущимся деталям двигателя.

Система охлаждения служит для отвода тепла от стенок цилиндровых втулок, крышек, поршней и распылителей форсунок.

Система пуска и реверсирования предназначена для пуска двигателя в работу, его остановки и, при необходимости, изменения направления вращения коленчатого вала во время маневров судна.

Система газораспределения служит для своевременной подачи воздуха в цилиндры и выпуска из них отработавших газов.

Система автоматического (или ручного) регулирования обеспечивает поддержание заданных параметров для данного режима работы двигателя (частота вращения коленчатого вала, температура и давление смазочного масла, топлива и охлаждающей воды, давление сжатого воздуха в системе управления и т. д.).

Принцип действия четырехтактного ДВС

Рабочий цикл четырехтактного ДВС совершается за четыре хода поршня (такта), которым соответствуют два оборота коленчатого вала. Рабочий цикл четырехтактного двигателя осуществляется в следующем порядке (рис. 2).

I такт – впуск свежей порции воздуха. При этом поршень 3 перемещается из верхнего крайнего положения (ВМТ) в нижнее (НМТ). При движении поршня вниз в цилиндре создается разрежение и свежий воздух засасывается через впускной клапан 1, открывающийся на 10-20° раньше прихода поршня в ВМТ. Впускной клапан открыт на протяжении всего хода поршня из ВМТ и закрывается с запозданием на 30-50° после прихода его в НМТ.

II такт – сжатие. Он начинается при движении поршня из НМТ вверх (после закрытия впускного клапана) и заканчивается по достижении поршнем ВМТ Давление воздуха в конце сжатия достигает 2,8-4 МПа, а температура 450-600 °С, что обеспечивает самовоспламенение топлива. В двигателях с наддувом давление в конце сжатия может быть 4,5 МПа и выше.

При движении поршня вверх за 20-30° до ВМТ в цилиндр с помощью форсунки (под большим давлением) впрыскивается топливо. Опережение подачи топлива необходимо для его физико-химической подготовки к самовоспламенению. Распыленное топливо смешивается со сжатым воздухом и сгорает, в результате чего давление в цилиндре повышается до 5-8,5 МПа, а температура газов – до 1 700 °С. Максимальное давление сгорания у двигателей с наддувом достигает 12,5 МПа. Благодаря высокой температуре, получаемой в конце сжатия, горение топлива в цилиндре двигателя начинается раньше достижения поршнем ВМТ.

III такт – рабочий ход. В этот период происходит сгорание топлива и расширение газообразных продуктов сгорания. Рабочий ход начинается, когда поршень находится в ВМТ и заканчивается за 30-50° до прихода поршня в НМТ.

Продукты сгорания топлива имеют высокую температуру и давление, которое быстро возрастает. Стремясь увеличиться в объеме, отработавшие газы давят на поршень и перемещают его вниз. При этом возвратно-поступательное движение поршня (через шатун 4 и кривошип 5 коленчатого вала) преобразуется во вращательное движение вала.

В конце процесса расширения, за 30-50° до НМТ, открывается выпускной клапан 2 и отработавшие газы под давлением 0,3-0,45 МПа с большой скоростью начинают выходить в выхлопной коллектор, а поршень продолжает двигаться вниз. В результате этого давление продуктов сгорания в цилиндре падает и по достижении поршнем НМТ составляет 0,1-0,12 МПа при температуре около 700 °С.

IV такт – выпуск отработавших газов. Начинается при движении поршня из НМТ и заканчивается после того, как он пройдет ВМТ на 10-20°. В это время выпускной клапан постоянно открыт.

Так как впускной клапан открывается с опережением, а выпускной – с запозданием, то эти клапаны в течение определенного времени (20-40°) будут открыты одновременно, что называется перекрытием клапанов. Несмотря на то, что во время перекрытия открыты оба клапана, газораспределение не нарушается. Через впускной клапан поступает свежий воздух, а через выпускной – отводятся отработавшие газы. Это объясняется тем, что и воздух и отработавшие газы поступают через проходное сечение клапанов с большой скоростью, а перекрытие клапанов осуществляется очень быстро, в тысячные доли секунды. Поэтому, несмотря на то, что впускной клапан открыт, отработавшие газы по инерции до конца выходят из цилиндра, не успевая изменить свое направление к впускному клапану.

После окончания такта выпуска отработавших газов рабочий цикл заканчивается и затем повторяется в той же последовательности.

Графическое изображение фаз газораспределения четырехтактного ДВС показано на примерной круговой диаграмме (рис. 3).

Впуск свежей порции воздуха начинается раньше прихода поршня в ВМТ с опережением на 20° (точка 1) и заканчивается, когда кривошип коленчатого вала займет положение, соответствующее на диаграмме точке 4. Начало подачи воздуха в цилиндр до прихода поршня в ВМТ и окончание – после НМТ делаются для увеличения заряда свежего воздуха. Точка 4 на диаграмме соответствует началу сжатия, которое заканчивается по достижении поршнем ВМТ. За процессом сжатия следует рабочий ход. Удаление из цилиндра отработавших газов начинается после открытия выпускного клапана (с опережением на 50° до прихода поршня в НМТ) и прекращается после его закрытия (с запаздыванием на 20° после прихода поршня в ВМТ). На диаграмме выпуск отработавших газов соответствует отрезку 3-4.

Принцип действия двухтактного ДВС

В отличие от четырехтактного ДВС в двухтактном поступление в цилиндр свежего воздуха, его сжатие, сгорание топлива, расширение продуктов сгорания и их выпуск совершаются за два хода поршня. Поэтому весь цикл двухтактного двигателя осуществляется за два такта или один оборот коленчатого вала.

На рис. 4 показана схема работы двухтактного ДВС с контурной поперечной щелевой продувкой.

Отличительной его особенностью является наличие роторного продувочного насоса 1 и отсутствие впускных и выпускных клапанов, роль которых выполняют продувочные 2 и выпускные 4 окна (щели), расположенные в цилиндровой втулке. Рабочий Особенности конструкции и описание принципов работы двигателя MAN B&W ME Typeцикл двухтактного двигателя протекает следующим образом.

I такт – зарядка цилиндра свежим воздухом и его сжатие (см. рис. 46, а, б).

II такт – сгорание топлива, расширение газообразных продуктов сгорания (рабочий ход), их выпуск и продувка цилиндра воздухом (см. рис. 46, в, г). Во время I-го такта поршень под действием сил инерции кривошипно-шатунного механизма движется от НМТ к ВМТ. Вначале выпускные и продувочные окна открыты – происходит продувка цилиндра и заполнение его свежим воздухом. Поршень, продолжая двигаться вверх, своей верхней кромкой закрывает сначала продувочные, а затем выпускные окна (см. рис. 46, б). После полного закрытия продувочных окон полость рабочего цилиндра продолжает оставаться соединенной с выпускным коллектором, в результате чего часть свежего воздуха вместе с остатками отработавших газов уходит по газовыпускному трубопроводу в атмосферу.

С момента полного закрытия выпускных окон, верхние кромки которых расположены несколько выше верхних кромок продувочных окон, начинается процесс сжатия свежего заряда воздуха. В конце сжатия, когда поршень приходит в ВМТ, давление в цилиндре достигает 3,2-4 МПа, а температура 700-800 °С. На этом I-й такт заканчивается и начинается II-й.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания через форсунку 3 в конце такта сжатия, когда поршень еще не дошел до ВМТ.

Воспламенение распыленного топлива от тепла сжатого воздуха и его горение происходят после того, как поршень пройдет ВМТ. Образовавшиеся от горения топлива газы имеют высокие температуру и давление. Под действием их давления поршень движется к НМТ, увеличивая объем газов. Это сопровождается падением давления газов и понижением их температуры. Расширение газов продолжается до момента открытия выпускных окон. Продолжая движение из ВМТ, поршень (примерно за 60° до прихода в НМТ) открывает своей верхней кромкой выпускные окна, в результате чего отработавшие газы с большой скоростью устремляются из цилиндра в выпускной коллектор. Давление в цилиндре при этом
резко падает.

При дальнейшем движении вниз (примерно за 40° до прихода в НМТ) поршень своей верхней кромкой открывает продувочные окна. Истечение отработавших газов из цилиндра продолжается, а подаваемый в него воздух давлением 0,02-0,025 МПа выталкивает оставшиеся продукты сгорания. Очистка цилиндра от продуктов сгорания и заполнения его свежим воздухом продолжается до конца II-го такта (и после него) соответственно через выпускные и продувочные окна. После прихода поршня в НМТ II-й такт заканчивается и начинается новый цикл.

Характеристика рабочих процессов ДВС

При одинаковой частоте вращения коленчатого вала в двухтактных двигателях рабочий цикл осуществляется в два раза быстрее, а рабочий ход совершается в два раза чаще, чем в четырехтактных. Теоретически при одинаковых размерах цилиндра в одной и той же частоте вращения мощность двухтактного двигателя должна быть в два раза больше мощности четырехтактного. В действительности часть хода поршня двухтактного двигателя затрачивается на осуществление процессов выпуска и продувки, в связи с чем рабочий объем его цилиндров используется не полностью. Кроме того, часть мощности двигателя (до 10 %) затрачивается на привод в действие продувочного насоса. Поэтому практически мощность двухтактного двигателя с учетом рассмотренных условий превышает мощность четырехтактного в 1,7-1,8 раза.

Преимуществом двухтактного двигателя является также надежный пуск. Двухтактный двигатель, пускается в ход при любом положении коленчатого вала уже при четырех цилиндрах, в то время как в четырехтактных для этого требуется не менее шести. При одинаковом числе цилиндров и одной и той же частоте вращения коленчатого вала двухтактный двигатель из-за удвоенного числа рабочих ходов имеет более равномерный крутящий момент.

По конструкции двухтактный двигатель значительно проще четырехтактного, особенно при использовании щелевой системы продувки, когда отсутствуют клапаны и их приводы.

Недостатками двухтактного двигателя по сравнению с четырехтактным являются:

• более быстрый износ деталей;
• больший удельный расход топлива и масла, частично выносимого в выхлопной коллектор;
• сложность очистки цилиндров от продуктов сгорания и зарядки их свежим воздухом, так как для этого отводится менее одного хода поршня.

Кроме того, работа двухтактного двигателя сопровождается повышенным шумом, создаваемым продувочным насосом.

Во время работы двигателя газы, действуя на поршень, перемещают его в цилиндре, в результате чего совершается работа. Она равна силе давления газов на площадь поршня, умноженной на величину его перемещения (хода поршня) и измеряется в Дж.

Работа двигателя, совершаемая в единицу времени, называется его мощностью.

Различают индикаторную и эффективную мощность двигателя.

Индикаторная мощность N_i – это работа, совершаемая газами во всех цилиндрах в единицу времени, измеряется в кВт. Полезная мощность, получаемая на валу двигателя и передаваемая гребному валу или электрогенератору, называется эффективной N_e. Эффективная мощность меньше индикаторной:

где:

• N_мех – мощность механических потерь, затрачиваемая на преодоление трения, приведение в действие навешенных механизмов, обеспечивающих работу двигателя, и т. д.

Для определения совершенства конструкции двигателя и доли индикаторной мощности, используемой для совершения полезной работы, служит механический КПД:

Механический КПД всегда меньше единицы и для судовых двигателей внутреннего сгорания составляет 0,7-0,95. Он зависит от способа смазки, обработки, пригонки и сборки деталей и узлов двигателя, условий эксплуатации и ухода за ним и т. д.

Тепло, полученное при сгорании топлива в цилиндре, расходуется на получение полезной работы и на потери, которые неизбежны при работе двигателя. Качество теплоиспользования определяют с помощью уравнения теплового баланса:

где:

• q – тепло, выделяющееся в цилиндрах при сгорании 1 кг топлива (q = 100 %);
• q₁ – тепло, затраченное на получение полезной работы (q₁ = 32 %);
• q₂ – тепло, уходящее с отработавшими газами (q₂ = 28 %);
• q₃ – тепло, отдаваемое охлаждающей воде (q₃ = 30 %);
• q₄ – тепло, затрачиваемое на преодоление сил трения подвижных частей двигателя (q₄ = 8 %);
• q₅ – тепло, теряемое от неполноты сгорания топлива в цилиндрах и т. п. (q₅ = 2 %).

Здесь даны средние значения величин потерь тепла. Они могут изменяться в зависимости от совершенства рабочего процесса, технического состояния двигателя и т. д.

Совершенство рабочего процесса оценивается индикаторным КПД, который учитывает потери тепла, уходящего с отработавшими газами, уносимого охлаждающей водой и потери от неполного сгорания топлива в цилиндрах.

Значения η_i колеблются в пределах 0,4-0,5.

Основным показателем, позволяющим оценивать экономичность работы двигателя, является эффективный КПД, учитывающий все потери в двигателе, включая и механические:

Значения η_e для двигателей внутреннего сгорания находятся в пределах 0,3-0,43. Важным показателем экономичности работы двигателя является эффективный удельный расход топлива g_e.

Он характеризует потребление топлива (в кг/ч) на единицу эффективной мощности, развиваемой двигателем (на 1 кВт).

На величину удельного расхода отрицательно влияют:

• понижение степени сжатия;
• ухудшение работы топливной аппаратуры;
• повышение быстроходности двигателя и т. д.

Работа двигателей с недогрузкой или с перегрузкой (выше паспортной) сопровождается повышением удельного расхода топлива, что говорит о необходимости эксплуатации двигателей при номинальных нагрузках.

Удельный расход топлива для судовых тихоходных двигателей составляет 150-180 г/кВт·ч, для быстроходных – 170-220 г/кВт·ч.

Классификация и маркировка ДВС

На судах находится в эксплуатации большое количество разнообразных типов двигателей, которые классифицируются по следующим основным признакам.

По способу осуществления рабочего цикла двигатели подразделяются на:

• четырех- и двухтактные.

У первых – рабочий цикл совершается за четыре хода поршня (за два оборота коленчатого вала), у вторых – за два хода поршня (за один оборот коленчатого вала).

По способу действия различают двигатели:

• простого действия;
• двойного действия;
• и с противоположно движущимися поршнями, у которых два поршня работают в одном цилиндре и движутся в противоположные стороны.

В зависимости от конструкции они приводят во вращение один или два коленчатых вала. В двигателях простого действия рабочий цикл совершается в верхней полости цилиндра над поршнем, в двигателях двойного действия – в верхней и нижней полостях. Двигатели двойного действия на судах применяются редко.

По способу наполнения рабочего цилиндра свежим воздухом двигатели бывают с наддувом и без наддува. У двигателей с наддувом в цилиндры двигателя подается воздух с повышенным давлением, создаваемым специальным наддувочным агрегатом. В четырехтактных двигателях без наддува воздух в цилиндры засасывается поршнем через всасывающие клапаны; в двухтактных – заполнение цилиндра воздухом производится продувочным насосом при невысоком давлении.

По конструктивному выполнению различают тронковые и крейцкопфные двигатели. В тронковых двигателях роль направляющей выполняет нижняя (тронковая) часть поршня, передающая боковое давление на стенки цилиндра. В крейцкопфных – роль направляющей выполняют ползуны, скользящие по параллелям и передающие на них боковое давление.

По направлению вращения коленчатого вала двигатели делятся на:

• реверсивные, имеющие устройства для изменения направления вращения коленчатого вала;
• и нереверсивные, постоянно вращающиеся в одном направлении.

Кроме того, двигатели бывают:

• правой;
• и левой модели.

У двигателей правой модели (если смотреть с кормы в нос, у вспомогательных двигателей – со стороны потребителя энергии) коленчатый вал вращается по часовой стрелке, у двигателей левой модели – против часовой стрелки.

По расположению цилиндров двигатели бывают:

• с вертикальным расположением цилиндров (вертикальные);
• с горизонтальным расположением цилиндров (горизонтальные);
• и с расположением цилиндров под некоторым углом V-образные, W-образные, Х-образные, звездообразные и другие).

На судах наиболее широко распространены вертикальные двигатели, реже применяются двигатели с расположением цилиндров под некоторым углом и, как исключение, встречаются горизонтальные двигатели.

По величине средней скорости поршня c_т двигатели согласно ГОСТ 4393-74 условно разделяются на:

• тихоходные (со средней скоростью поршня до 6,5 м/с);
• и быстроходные (со скоростью поршня 6,5 м/с и выше).

По частоте вращения коленчатого вала двигатели подразделяются на:

• малооборотные (до 250 об/мин);
• среднеоборотные (250-600 об/мин);
• повышенной оборотности (600-1 000 об/мин);
• и высокооборотные (более 1 000 об/мин).

По назначению судовые двигатели делятся на:

• главные – приводящие в движение гребной винт или главные электрогенераторы (при электродвижении);
• и вспомогательные – приводящие в движение вспомогательные механизмы (генераторы, компрессоры, пожарные помпы и др.).

Все двигатели, в том числе и судовые, согласно ГОСТ 4393-74 имеют единую систему маркировки при помощи цифр и букв, которые определяют основные конструктивные признаки данного типа двигателя. Буквы обозначают:

• Ч – четырехтактный;
• Д – двухтактный;
• ДД – двухтактный двойного действия;
• Р – реверсивный;
• С – судовой с реверсивной муфтой;
• П – с редукторной передачей;
• К – крейцкопфный;
• Н – с наддувом.

Если в марке отсутствуют буквы Р, К или Н, то это говорит о том, что двигатель нереверсивный, тронковый и без наддува. Цифры перед маркой указывают число цилиндров двигателя, а дробь после букв – диаметр цилиндра (числитель) и ход поршня (знаменатель) в см.

Так, например, марка двигателя 5ДКРН 50/110 обозначает, что двигатель:

• пятицилиндровый;
• двухтактный;
• крейцкопфный;
• реверсивный с наддувом;
• диаметр цилиндра – 50 см;
• ход поршня – 110 см.

Двигатели иностранной постройки не имеют такой четкой маркировки, так как каждая фирма имеет свою систему обозначений.

Остов ДВС

Остов ДВС состоит из следующих основных деталей:

• фундаментной рамы;
• станины;
• рабочих цилиндров;
• и цилиндровых крышек.

Все эти детали при помощи болтов и шпилек плотно соединяются между собой, образуя прочную и жесткую конструкцию, воспринимающую нагрузку от массы двигателя и усилия от давления газов, передаваемые через движущиеся детали.

Фундаментная рама служит основанием двигателя, на котором устанавливается станина. Она представляет собой опору для рамовых подшипников, на которые укладывается коленчатый вал двигателя. Рама должна выполняться герметичной, так как служит емкостью (картером) для масла, стекающего из системы смазки и охлаждения поршней. Фундаментные рамы в зависимости от их конструкции, технологии изготовления и применяемого материала могут быть:

• цельными или составными;
• литыми или сварными;
• чугунными;
• стальными или из легких сплавов.

Фундаментные рамы судовых ДВС отливаются в основном из серого чугуна. Однако в последнее время нередко применяют стальные сварные конструкции. Рамы длиной более 4-5 м изготавливают составными из нескольких частей, жестко соединяемых между собой болтами.

На рис. 5 показана цельная литая чугунная фундаментная рама 4 четырехцилиндрового двигателя, состоящая из двух продольных 6 и пяти поперечных 3 балок.

Крепление рамы к судовому фундаменту осуществляется при помощи полок 5, имеющих отверстия для отжимных и крепежных болтов, часть из которых изготавливается калиброванными (призонными). Призонные болты фиксируют раму на фундаменте в строго определенном положении. Рама двигателя устанавливается на судовой фундамент на клиньях, планках и сферических прокладках.

В поперечных балках фундаментной рамы, которые подкрепляются ребрами жесткости, расположены постели для вкладышей рамовых подшипников 2, закрытых крышками 1.

Крышки крепятся к поперечным балкам при помощи шпилек. Снизу фундаментная рама имеет поддон, вместе с поперечными балками образующий отсеки (колодцы), соединенные между собой (для перетока масла). Внутренние полости отсеков отделяются от поддона сетками. Для уменьшения массы рамы поддон изготавливают отдельно из листовой стали толщиной 2-3 мм и прикрепляют к ней болтами или при помощи сварки.

Большинство главных двигателей выполняются с сухим картером, а маслосборная цистерна для циркуляционного масла располагается под ним.

Для снижения вредного действия вибрации и уменьшения шума во время работы вспомогательные ДВС часто устанавливают на фундаменте с помощью пружинных или резино-металлических амортизаторов.

Рамовые подшипники служат опорой коленчатого вала и воспринимают усилия, передаваемые шатуном фундаментной раме. Рамовый подшипник показан на рис. 6.

Он состоит из верхнего 6 и нижнего 8 вкладышей, залитых антифрикционным сплавом 3 (баббитом Б83). Нижний вкладыш устанавливается в постели, расположенной в фундаментной раме 9, верхний – в крышке 4, крепящейся к раме при помощи шпилек 7 с гайками, которые после затяжки должны быть зашплинтованы. Оба вкладыша имеют заплечики 1, предотвращающие их перемещение в осевом направлении. Между торцами верхнего и нижнего вкладышей устанавливается набор латунных прокладок 2 разной толщины, предназначенных для установки и регулирования зазора между вкладышами и шейкой коленчатого вала. Смазочное масло к рамовому подшипнику подводится по трубке и штуцеру 5, который ввинчивается в крышку 4. Нижним концом штуцер входит в отверстие верхнего вкладыша, тем самым предохраняя его от проворачивания в постели.

Существуют и другие стопорные приспособления от проворачивания вкладышей подшипников. При отсутствии специального упорного подшипника один из рамовых, обычно ближайший к маховику, выполняет его функции. Он называется установочным и предотвращает осевое перемещение коленчатого вала. Длина этого вкладыша равна длине рамовой шейки. Остальные рамовые вкладыши делаются несколько короче для обеспечения беспрепятственного удлинения коленчатого вала при его нагревании. Торцевые поверхности установочного подшипника являются упорными и залиты антифрикционным сплавом. В качестве антифрикционного материала для наплавки вкладышей подшипников, кроме баббита, используется свинцовистая бронза и некоторые другие сплавы на основе алюминия и др.

Наиболее широко в судовых двигателях используются баббиты. Но они надежно работают при сравнительно небольших удельных давлениях (до 20 МПа) и невысоких температурах нагрева (до 100 °С). Подшипники из свинцовистой бронзы выдерживают удельные давления до 50 МПа и нагрев до 200 °С. Недостатком этих подшипников является плохая их приработка, поэтому необходима точная обработка вкладышей и тщательная их установка. Шейки коленчатого вала должны иметь поверхностную закалку, чего не требуется при заливке вкладышей баббитом.

Станина служит опорой для цилиндров двигателя, скрепляет их в одну жесткую конструкцию и образует закрытую камеру для кривошипно-шатунного механизма. В крейцкопфных двигателях станина, кроме того, воспринимает давление газов через параллели. В зависимости от конструкции и технологии изготовления станины бывают:

• цельные или составные;
• литые или сварные.

Материалом для изготовления станин служит в основном чугун или сталь.

Станины в судовых двигателях применяются двух основных типов:

• в виде отдельных колонн или стоек, закрытых съемными щитами и люками;
• и в виде закрытой коробки (картерный тип).

Станины первого типа используются в тихоходных судовых крейцкопфных двигателях большой мощности. При такой конструкции литые чугунные колонны располагаются над каждым рамовым подшипником в плоскости, параллельной движению кривошипов, и крепятся внизу к общей фундаментной раме.

Конструкция станины в виде колонн удобна для осмотра и разборки деталей движения и подшипников ДВС. В двигателях тронкового типа станины для увеличения жесткости выполняют в виде коробок, представляющих собой цельную отливку для всех цилиндров. В двигателях малой и средней мощности широко применяется блок-картер, отливаемый заодно с рубашками цилиндров, или общий блок картера с фундаментной рамой. Во время работы двигателя станина и цилиндры (блоки цилиндров) испытывают действие растягивающих усилий в результате давления газов на крышки цилиндров. Для разгрузки этих деталей от растягивающих усилий используют анкерные связи, изготавливаемые из высокосортной стали (рис. 7).

Длинные анкерные связи 1, имеющие резьбу на обоих концах, проходят через отверстия в фундаментной раме 4, станине 3 и цилиндре (блоке цилиндров) 2. Анкерные связи стягивают эти детали при помощи гаек, которые после затяжки шплинтуются.

Рабочие цилиндры являются очень ответственной деталью двигателя. В них совершаются рабочие циклы, в течение которых давление и температура газов изменяются в широких пределах.

Цилиндры судовых двигателей состоят, как правило, из внутренней части (рабочей втулки) и наружной рубашки. Между рабочей втулкой и рубашкой образуется полость, служащая для постоянной циркуляции охлаждающей воды во время работы двигателя. Она называется зарубашечным пространством. Цилиндры двигателей могут быть отлиты и установлены на станину каждый отдельно или в виде одной общей отливки, образующей цилиндровый блок, что значительно повышает жесткость конструкции, одновременно уменьшая ее массу. Одиночные цилиндры применяются сравнительно редко, главным образом в тихоходных двухтактных ДВС большой мощности.

В судовых двигателях наиболее часто используется блочная конструкция цилиндров. Для облегчения изготовления блок цилиндров может быть выполнен из нескольких частей, которые при сборке двигателя жестко соединяются между собой. Рубашки или блоки четырехтактных двигателей отличаются от блоков двухтактных тем, что последние имеют полости для подвода продувочного воздуха и отвода отработавших газов.

Цилиндр тихоходного двухтактного ДВС с прямоточной клапанной продувкой показан на рис. 8.

В рубашке 1 установлена съемная рабочая втулка 2, которая своим верхним фланцем плотно садится на кольцевой выступ рубашки, а нижней частью входит в ее отверстие. Для предотвращения попадания охлаждающей воды в картер двигателя в нижней части рабочей втулки с наружной стороны устанавливают уплотнительные резиновые кольца 10. Подача смазочного масла в цилиндры осуществляется по штуцерам 8, которых может быть от двух до восьми. Продувка цилиндра осуществляется через окна 9, а удаление отработавших газов производится через выпускной клапан, установленный в отверстии 4 крышки цилиндра. Осмотр и очистка зарубашечного пространства от осадков и накипи производится через отверстия (с люками) 3.

В нижней части рубашки цилиндра находится отверстие для подвода охлаждающей воды в зарубашечное пространство, поступающей через выходной канал 7 и переливной патрубок 6 в полость охлаждения 5 крышки цилиндра и далее в отливной трубопровод.

Рабочие втулки, непосредственно соприкасающиеся с охлаждаемой водой, называются мокрыми. Сухие втулки (не соприкасающиеся с водой) в судовых двигателях не применяются.

На рис. 9 показан цилиндр четырехтактного ДВС, состоящий из рубашки 1 и съемной рабочей втулки 2, опирающейся своим буртиком (верхним фланцем) 9 на выточку в верхней части рубашки.

Положение рабочей втулки в нижней части фиксируется направляющим пояском 5. Между ним и втулкой устанавливаются уплотнительные резиновые кольца 6 круглого сечения, предотвращающие попадание воды в картер. Рубашка цилиндра имеет фланец 4 для крепления к станине, горловины 7 для осмотра и очистки зарубашечного пространства, а также отверстия 3 и 8 для подвода охлаждающей воды в зарубашечное пространство и отвода ее в полость охлаждения крышки цилиндра.

Материалом для изготовления рубашек отдельных цилиндров и блоков цилиндров служит серый и легированные чугуны, литая сталь и алюминиевые сплавы. Рабочие втулки изготавливаются из легированного чугуна и реже отливаются из стали. Внутреннюю часть рабочей втулки шлифуют до зеркального блеска и подвергают специальной обработке. На зеркало чугунной втулки часто наносят тонкий слой хрома, а зеркало стальной – цементируют, азотируют или закаливают токами высокой частоты.

Крышки рабочих цилиндров служат для плотного их закрытия и образования над поршнем камер сгорания. Они изготовляются отдельно для каждого цилиндра или в виде блока (для быстроходных двигателей малой мощности). Материалом для изготовления крышек служит в основном высококачественный чугун, реже сталь и легкие сплавы. На крышке четырехтактного двигателя устанавливаются:

• форсунка;
• впускной, выпускной, пусковой и предохранительный клапаны;
• и стойки осей клапанных рычагов.

Крышка двухтактного двигателя проще по конструкции, так как на ней размещаются лишь форсунка, пусковой и предохранительный клапаны. Исключение составляют двухтактные двигатели с прямоточной клапанной продувкой, на крышках которых дополнительно устанавливается выпускной клапан.

Внутри крышки имеются полости для циркуляции охлаждающей воды и отверстия для ее подвода и отвода. По форме крышки бывают квадратные, шести- или восьмиугольные, но наиболее часто применяются цилиндрические. К цилиндрам (или блокам) они крепятся шпильками, проходящими через специальные отверстия в крышках.

На рис. 10 показана крышка цилиндра двухтактного двигателя, в которой имеется отверстие 5 для форсунки, крепящейся при помощи двух шпилек.

Справа расположены отверстие 6 для пускового клапана и отверстие (малого диаметра) для крепления патрубка пускового воздуха. Крышка к блоку цилиндров крепится шпильками, для прохода которых имеются восемь отверстий 9. Охлаждающая вода из зарубашечного пространства в полость крышки подводится по переливному патрубку 2 и отводится через сливное отверстие 3 в отводящий трубопровод. Для осмотра и очистки охлаждающей полости крышки предусмотрены четыре люка 7. Отверстие 8 служит для установки индикаторного крана с предохранительным клапаном. Между крышкой и цилиндровой втулкой устанавливается уплотнительная красно-медная прокладка 1. В отверстие 4 устанавливается водяной термометр.

В двухтактных двигателях большой мощности применяются составные крышки, что делается для значительного уменьшения напряжений, возникающих в них под действием больших тепловых нагрузок.

Подвижные детали тронковых и крейцкопфных ДВС

Кривошипно-шатунный механизм тронкового ДВС состоит из следующих основных деталей:

• поршня;
• поршневого пальца;
• шатуна;
• и коленчатого вала.

В крейцкопфных ДВС в состав кривошипно-шатунного механизма дополнительно входит шток и крепящиеся к нему ползуны. В зависимости от мощности двигателя ползунов может быть до четырех.

Поршень воспринимает усилие от давления газообразных продуктов сгорания и передает его через поршневой палец и шатун коленчатому валу.

Поршни двигателей в зависимости от конструкции разделяются на поршни:

• тронковых ДВС;
• крейцкопфных ДВС;
• и ДВС двойного действия.

Поршни изготавливают цельными и составными, применяемыми в двигателях большой мощности с диаметром цилиндра более 400 мм. Цельные поршни отливают из чугуна или алюминиевых сплавов. Головки составных поршней изготавливают из специального жаростойкого чугуна или стали, а тронки – из чугуна. Поршни из алюминиевых сплавов применяют в основном в быстроходных двигателях. Они хорошо отводят тепло от сильно нагретой головки и за счет меньшей массы позволяют значительно снизить инерционные усилия, возникающие во время движения поршня в цилиндре.

На рис. 11 показан поршень тронкового типа четырехтактного двигателя, который состоит из верхней части – головки 1 и цилиндрической направляющей, называемой тронком или юбкой 8.

Поршень тронкового типа соединяется с шатуном 7 шарнирно при помощи поршневого пальца 5, располагающегося в бобышках 3. Для предотвращения попадания масла, вытекающего из головного подшипника 4, на днище поршня и образования на нем нагара устанавливается экран 10. На головке и юбке поршня протачиваются канавки для установки уплотнительных 2 и маслосъемных 9 колец. Излишки масла, снимаемые с поверхности рабочей втулки, стекают в картер через отверстия 6, расположенные по всей окружности поршня. Выемка поршня из цилиндра осуществляется с помощью рым-болтов, ввинченных в отверстия 11.

На рис. 12 представлена конструкция составного поршня двухтактного ДВС.

Поршень состоит из:

• съемной головки 1 с шестью уплотнительными кольцами 3;
• юбки 10 с двумя маслосъемными кольцами 11;
• вставки 5, в которой расположено гнездо для верхнего вкладыша головного подшипника.

Головка поршня, юбка и вставка стягиваются между собой длинными шпильками 8. Палец 7, жестко соединенный с шатуном 12, устанавливается в головном подшипнике, нижняя крышка которого состоит из двух половинок и крепится при помощи шпилек 9. На направляющей части юбки в специальных канавках установлены и расчеканены латунные кольца 6, предназначенные для лучшей приработки рабочей втулки и увеличения сроков работы цилиндра-поршневой группы. Головка поршня охлаждается маслом, которое подается к ней через телескопические трубки. В полости охлаждения масло проходит между стенкой головки и вытеснителем 2, имеющим в верхней части спиральный канал, улучшающий циркуляцию. Центральное отверстие 4 служит для отвода масла из полости охлаждения в сливную магистраль. Подача масла для смазки головного подшипника и охлаждения пальца производится из полости охлаждения головки поршня через специальные отверстия.

Принудительное охлаждение чугунных поршней водой или маслом используют в ДВС с диаметром цилиндра 300-400 мм и более. Эффективность отвода тепла водой более чем в 2 раза выше, чем маслом. Однако водяное охлаждение поршней не нашло широкого применения из-за трудности обеспечения герметичности охлаждающего устройства. Водяное охлаждение используется в мощных двухтактных двигателях с повышенным давлением наддува и большим диаметром цилиндра, когда при масляном охлаждении не удается обеспечить допустимые температуры днища. Охлаждающая жидкость (вода, масло) подводится к поршням по телескопическим и шарнирным качающимся трубкам, а также через осевое отверстие шатуна и специальное сопло, закрепленное на его верхней головке (струйное охлаждение). Струйное охлаждение поршней применяется в тронковых ДВС небольшой мощности. Подача воды для охлаждения поршней осуществляется только по телескопическим трубкам.

Поршневые кольца служат для предотвращения прорыва газов из камеры сгорания в картер, а также для отвода части тепла к стенке рабочей втулки, охлаждаемой водой. Кроме того, они регулируют распределение масла по стенкам втулки и предотвращают его попадание в камеру сгорания. В зависимости от быстроходности двигателя число поршневых колец колеблется от трех до семи. Большее число колец устанавливается на поршнях тихоходных двигателей. Поршневые кольца изготавливаются из высококачественного чугуна. Твердость поршневых колец должна быть несколько выше твердости рабочей втулки.

Поршневые уплотнительные кольца могут иметь прямоугольное, коническое, трапецеидальное сечение, а также с бронзовым пояском. Наиболее широкое применение нашли уплотнительные самопружинящие кольца прямоугольного сечения. В свободном состоянии диаметр такого кольца больше диаметра рабочей втулки, поэтому после установки в цилиндр кольцо оказывает определенное давление на его стенки. Во время работы двигателя кольцо дополнительно прижимается к рабочей поверхности давлением газов, проникающих через зазоры.

Поршневые маслосъемные кольца могут быть:

• коническими;
• коробчатыми;
• и скребковыми (двойными).

Наиболее распространенные формы замков поршневых колец показаны на рис. 13.

В быстроходных двигателях применяются преимущественно кольца с косыми и прямыми замками, в тихоходных – с косыми и ступенчатыми. Поршневые кольца устанавливаются в канавках (кепах) с определенными зазорами (по высоте и в замках), достаточными для компенсации их расширения при нагревании. Два верхних кольца должны иметь несколько больший зазор, чем остальные. Величины зазоров приводятся в инструкциях по эксплуатации двигателей.

Поршневые пальцы воспринимают большие динамические нагрузки от поршня и передают их шатуну. Их изготавливают сплошными и полыми (для уменьшения массы) из малоуглеродистой или низколегированной стали с содержанием углерода 0,1-0,2 %. После обработки пальцы подвергают поверхностной цементации и закалке. При сборке с поршнем палец устанавливается в бобышках с небольшим натягом и закрепляется от проворачивания стопорными болтами, шпильками или шпонками.

В двигателях чаще всего применяют плавающий палец, который не крепится в бобышках и может поворачиваться вокруг своей оси. Плавающий палец в отличие от фиксируемого изнашивается равномерно, что увеличивает срок его службы.

Шатуны предназначены для передачи усилия давления газов на поршень коленчатому валу. Они должны быть прочными, надежными, достаточно жесткими и иметь возможно меньшую массу. Шатуны отковываются или штампуются из высококачественной углеродистой или легированной стали. В тихоходных двигателях большой мощности стержень шатуна, как правило, круглого сечения, в быстроходных – двутаврового. Последнее позволяет уменьшить массу и силы инерции шатуна при сохранении его высокой прочности.

На рис. 14 изображен шатун двигателя со стержнем двутаврового сечения.

Он состоит из верхней неразъемной головки 1, стержня 2 и нижней разъемной головки 4. В верхней головке установлен головной подшипник 12, который (в двигателях малой и средней мощности) представляет собой бронзовую втулку. Втулка запрессовывается в головку и от проворачивания может крепиться шпильками.

В двигателях большой мощности головной подшипник делают разъемным, состоящим из двух половинок, а вместо бронзовых вкладышей часто применяются стальные, залитые баббитом.

В нижней разъемной головке 4 устанавливается шатунный подшипник, состоящий из верхнего 11 и нижнего 5 стальных вкладышей, залитых баббитом. Вкладыши шатунных подшипников могут быть залиты также свинцовистой бронзой или алюминиево-никелевым сплавом. Шатунный подшипник стягивается шатунными болтами 3 и корончатыми гайками 8. Для предотвращения самоотвинчивания гаек ставятся шплинты 7. От проворачивания шатунного болта при завинчивании гайки предусмотрен штифт 10, который, выступая, упирается в специально сделанную грань на головке болта и фиксирует его в определенном положении.

Для регулирования величины масляного зазора в разборных подшипниках, залитых баббитом, в разъемы между их половинками устанавливают наборы прокладок разной толщины. При увеличении зазоров в подшипниках, залитых свинцовистой бронзой или алюминиево-никелевым сплавом, выше допустимых вкладыши заменяют новыми.

Штифты 9 служат для фиксации крышки 6 нижней головки шатуна относительно ее верхней части 4.

Шатуны крейцкопфных двигателей имеют верхние головки вильчатого и безвильчатого типа. Более широко используются шатуны первого типа (рис. 15).

У них верхняя часть стержня заканчивается вилкой, на которой устанавливаются два головных подшипника, залитых баббитом. У шатунов второго типа стержень заканчивается фланцем, к которому крепятся два головных подшипника. Шатуны ДВС большой мощности в основном имеют отъемную нижнюю головку 2. Между головкой и пяткой шатуна 1 устанавливается компрессионная планка 3; за счет ее толщины регулируют объем камеры сжатия (сгорания). Нижняя головка в данном случае не имеет вкладышей, поэтому баббит наплавлен непосредственно на поверхность верхней и нижней ее частей.

В быстроходных ДВС нижняя головка шатуна часто имеет косой разъем, что уменьшает ее ширину и позволяет вынимать поршень с шатуном через рабочий цилиндр. Шатунные болты выдерживают большие усилия и работают в условиях переменной нагрузки. Их разрыв, как правило, сопровождается значительными разрушениями основных деталей двигателя. В двухтактных ДВС шатунные болты работают только на растяжение от силы затяжки гаек, в четырехтактных – испытывают знакопеременную нагрузку, так как во время процесса впуска свежего воздуха и выпуска продуктов сгорания движущая сила изменяет свое направление. Шатунные болты изготавливают из прочного вязкого материала. Для изготовления болтов быстроходных ДВС используют никелевую и хромоникелевую стали, а для малооборотных мощных ДВС применяют углеродистую сталь. После изготовления и обработки шатунные болты точно подгоняют по отверстиям в нижней головке шатуна. Для этой цели болты имеют от одного до трех посадочных поясков.

Смазка подшипников верхней и нижней головок шатуна осуществляется по циркуляционной масляной системе через каналы в рамовых и шатунных шейках коленчатого вала. К головному подшипнику масло подается из шатунного подшипника по отверстию в шатуне или по специальной трубке, прикрепленной к его стержню.

Поршневые штоки крейцкопфных двигателей служат для соединения поршней с ползунами. Во время работы двигателя они испытывают большие нагрузки, поэтому их изготавливают из углеродистой стали. Для уменьшения массы штока по его оси просверливают канал, который часто используется для подвода и отвода масла, охлаждающего головку поршня. В этом случае в шток вставляется трубка из латуни или из нержавеющей стали, по которой отводится масло, а его подвод осуществляется по кольцевому каналу, образованному между трубкой и штоком. Пресная вода в качестве охлаждающей жидкости используется очень редко, так как требует защиты внутренней поверхности штока от коррозии.

Верхняя часть штока отковывается в виде фланца, при помощи которого он соединяется с головкой поршня. Нижняя часть штока может иметь фланец, цилиндрический или конусный хвостовик с гайками. С помощью фланца или хвостовика с гайками шток своей нижней частью соединяется с поперечиной (крейцкопфом) ползуна. Стержень штока имеет круглое сечение, что облегчает создание уплотнения при его проходе через сальник, установленный в диафрагме, отделяющей картер от нижней полости цилиндра. Тем самым предотвращается проникновение циркуляционного масла из картера в цилиндры и продувочные ресиверы двухтактных ДВС, а также исключаются попадание загрязненного масла из цилиндров в картер.

Крепление штока к поперечине ползуна цилиндрическим хвостовиком с гайкой показано на рис. 16.

Поперечина 2 жестко соединяется с ползуном 3 при помощи болтов 6 и шпонки 4, передающей усилие от поперечины на ползун. Шток 1 крепится к поперечине при помощи хвостовика и гайки 5. Ползун воспринимает боковое усилие от шатуна и обеспечивает прямолинейное движение штока 1 и поршня. Ползуны отливают из стали, а их трущиеся поверхности заливают баббитом Б83.

В зависимости от расположения трущихся поверхностей относительно поперечины (крейцкопфа) различают односторонние и двухсторонние ползуны. Односторонние ползуны при работе двигателя на передний ход передают нормальное давление на параллели основной опорной поверхностью, а при работе на задний ход – уменьшенными затылочными опорными поверхностями, расположенными на его обратной стороне. Крейцкопфный механизм с двусторонними ползунами сложнее, чем с односторонними, но имеет ряд преимуществ, основным из которых является меньший износ ползунов.

Коленчатый вал является наиболее ответственной и дорогостоящей деталью двигателя. Во время работы коленчатый вал подвергается действию сложных изгибающих и скручивающих сил. Он воспринимает усилия от шатунов и передает вращающий момент гребному винту.

Коленчатые валы выполняются цельноковаными и составными, состоящими из двух и более частей, соединяемых при помощи фланцев. Составные валы используются в тихоходных ДВС большой мощности. В этих двигателях нередко применяются коленчатые валы с составными коленами. Шейки и щеки таких валов изготавливаются отдельно. При сборке валов шейки запрессовывают при слабом нагреве (200-250 °С) и соответствующем натяге, обеспечивающем прочность соединения даже без постановки шпонок. Коленчатые валы судовых двигателей отковывают из углеродистой и легированной стали. Иногда валы отливают из стали и специального чугуна.

Взаимное расположение кривошипов зависит от тактности двигателя и от числа цилиндров. При этом стремятся достигнуть наиболее равномерного вращения коленчатого вала и наилучшего уравновешивания сил инерции движущихся частей ДВС. Основные размеры кривошипа должны обеспечивать необходимую прочность и жесткость вала и получение допустимых удельных давлений на шатунные и рамовые подшипники.

Щеки кривошипа могут иметь различную форму:

• прямоугольную;
• овальную;
• круглую;
• восьмигранную и т. д.

Наиболее простой в изготовлении является щека прямоугольной формы, наиболее сложной – овальная. Однако последняя является наиболее рациональной в отношении прочности, равномерного распределения напряжений и массы. Для того чтобы разгрузить рамовые подшипники от неуравновешенных сил инерции вращающихся масс кривошипа, а также для уравновешивания свободных сил инерции или их моментов, коленчатые валы двигателей часто снабжаются противовесами, которые крепятся к щекам различными способами при помощи болтов. В быстроходных двигателях противовесы могут быть откованы заодно с коленчатым валом.

На рис. 17 показан цельнокованый коленчатый вал восьмицилиндрового четырехтактного ДВС.

Угол между его кривошипами составляет 90°. Для уменьшения массы вала шатунные и рамовые шейки имеют осевые каналы 5, которые закрыты с торцов заглушками 3, стянутыми болтами 2. Один из концов коленчатого вала имеет фланец, который отковывают заодно с валом. Он служит для соединения двигателя с потребителем энергии. К этому фланцу своей ступицей 11 крепится маховик 12, способствующий более равномерному вращению ДВС. Его положение фиксируется штифтами 10.

Маховики диаметром до двух метров отливаются из чугуна цельными, более двух метров – изготавливаются составными. На ободе маховика нарезан зубчатый венец для соединения с валоповоротным устройством, служащим для проворачивания вала во время ремонтных работ, регулирования ДВС и т. д. Кроме того, на ободе рисками отмечены ВМТ всех цилиндров и нанесены риски от нуля до 360°, что облегчает проверку и регулирование фаз газораспределения и топливоподачи. Между последним кривошипом и концевым фланцем на валу имеется упорный гребень 7, фиксирующий положение коленчатого вала на фундаментной раме. Между конусной поверхностью упорного гребня и хомутом 9 крепится шестерня 8 привода распределительного вала. На левом конце коленчатого вала установлена шестерня 1 привода масляного насоса. Смазочное масло под определенным давлением подводится (через штуцер) к рамовым подшипникам, из которых через один или два радиальных канала в каждой рамовой шейке поступает во внутренние каналы 5 вала. Из нее по каналам 4 в щеках кривошипов масло попадает во внутреннюю полость шатунных шеек и по радиальным каналам в них направляется для смазки шатунных подшипников. Выход коленчатого вала из картера уплотняется маслосгонной резьбой 13, предотвращающей утечки масла по валу. Коленчатый вал имеет противовесы, откованные заодно со щеками 6 кривошипов.

Механизмы газораспределения четырехтактных ДВС

Для подачи в цилиндры ДВС свежего воздуха и очистки их от продуктов сгорания служит механизм газораспределения, состоящий из:

• распределительного вала с кулачковыми шайбами;
• привода;
• рычагов;
• штанг впускных и выпускных клапанов.

В ДВС распределительный вал располагается на высоте нижней части рабочих цилиндров снаружи или внутри картера и приводит в действие:

• впускные и выпускные клапаны;
• плунжеры топливных насосов;
• золотники пусковых воздухораспределителей.

Распределительный вал приводится в действие от коленчатого с помощью зубчатой или цепной передачи.

На рис. 18 показана зубчатая передача от коленчатого вала к распределительному.

Она состоит из разъемной (из двух половин) шестерни 1, установленной при помощи шпонки на коленчатом валу и соединенной болтами у ступицы; зубчатого колеса 2 и шестерни 4, также на шпонке закрепленной на распределительном валу. При вращении коленчатого вала шестерня 1 приводит во вращение зубчатое колесо 2, установленное на одном валу с колесом 3, которое в свою очередь вращает шестерню распределительного вала. Все шестерни и зубчатые колеса привода закрываются крышкой. Масло для смазки зубчатых зацеплений подводится по трубе 5. Своевременное открытие впускных и выпускных клапанов обеспечивается специальным механизмом.

На рис. 19 дана схема механизма газораспределения четырехтактного ДВС.

Распределительный вал вращается в подшипниках, расположенных в кронштейнах 4, с частотой, в два раза меньшей, чем коленчатый. Вместе с распределительным валом 6 вращается кулачковая шайба 5, которая, набегая на ролик толкателя 7, поднимает штангу 8. При этом левый конец клапанного рычага (коромысла) 1, качающегося на оси, поднимается вверх, а правый опускается вниз, открывая клапан 3, который нагружен пружиной 2, обеспечивающей его плотное закрытие. Между цилиндрической частью кулачковой шайбы и роликом толкателя должен быть установлен тепловой зазор а, величина которого указывается в инструкции по эксплуатации двигателя.

Количество впускных и выпускных клапанов, располагаемых в крышке цилиндров, зависит от конструкции двигателя и его частоты вращения. У тихоходных ДВС в крышке цилиндра, как правило, размещают один впускной и один выпускной клапаны; у быстроходных – их может быть по два. Увеличение количества клапанов усложняет конструкцию цилиндровой крышки и клапанного привода, но увеличивает суммарное проходное сечение для подвода воздуха и отвода выхлопных газов, уменьшает массу клапанов и улучшает отвод тепла. Скорость воздуха, подающегося в двигатель, значительно снижается, что способствует лучшему наполнению цилиндров.

Впускные и выпускные клапаны малооборотных судовых ДВС большой мощности располагаются в съемных корпусах, вставляемых в крышку цилиндра. В быстроходных ДВС клапаны устанавливаются непосредственно в крышке, что позволяет увеличить диаметр тарелки примерно на 20 %. Однако эта конструкция имеет серьезный недостаток – для осмотра и притирки клапанов необходимо снимать крышку цилиндра.

На рис. 20 показан клапанный комплект четырехтактного ДВС, состоящий из клапана 4, помещенного в съемный корпус 3 и нагруженного пружиной 2, которая верхним концом упирается в тарелку 1, надетую на шток клапана, а нижним – в его корпус.

Пружина служит для обеспечения плотности прилегания клапана к гнезду при малом давлении или разрежении в цилиндре. В высокооборотных ДВС или в ДВС с большими размерами клапана ставят две пружины с разным направлением винтов, что позволяет снизить их жесткость и хрупкость.

Клапаны во время работы испытывают большие динамические и тепловые нагрузки. Нагрев впускных клапанов достигает 300-400 °С, а выпускных – 600-800 °С. Поэтому материал клапанов должен обладать необходимой механической прочностью при высоких температурах, износоустойчивостью и коррозионной стойкостью.

Для изготовления впускных клапанов используются легированные стали, для выпускных – жаростойкие хромоникелевые стали.

Клапаны высокофорсированных двигателей изготавливают из специальных жаропрочных сталей. Иногда на поверхность фаски тарелки наплавляют слой стеллита толщиной 0,7-1,5 мм, что значительно повышает их износоустойчивость.

Для изготовления пружин используются:

• высокоуглеродистые;
• марганцовистые;
• кремнемарганцовистые;
• и хромоникельванадиевые стали.

Кулачковые шайбы, приводящие в действие впускные и выпускные клапаны, состоят в большинстве случаев из круглой ступицы и выступающей части (кулачка) определенного профиля, который выбирается таким, чтобы набегание и сбегание ролика на кулачок было плавным, без ударов. Профиль кулачковой шайбы определяет величину открытия клапана, а также продолжительность и моменты его открытия и закрытия. Кулачковые шайбы на распределительный вал насаживаются плотно (с помощью шпонок). Их количество соответствует числу впускных и выпускных клапанов ДВС.

Продувка двухтактных ДВС

Процесс газообмена в двухтактных ДВС существенно зависит от совершенства системы продувки и выпуска, влияющей на работу двигателя, его мощность и экономичность. Качественная продувка обеспечивает хорошую очистку цилиндров от продуктов сгорания при малом расходе продувочного воздуха, который подается в цилиндры под давлением 0,01-0,04 МПа и выше через продувочные окна. В это же время продукты сгорания с большой скоростью удаляются из цилиндров через выпускные окна или клапаны.

По характеру движения потока воздуха в цилиндрах системы продувки двигателей разделяются на контурные и прямоточные. Схема контурной поперечной щелевой системы продувки дана на рис. 21, а.

Продувочные окна выполнены наклонными, благодаря чему поток воздуха направляется в верхнюю часть цилиндра. Продувочные окна 1 расположены напротив выпускных 2, причем последние имеют большую высоту и поэтому закрываются позже продувочных. Это является недостатком поперечной щелевой продувки, так как значительная часть свежего воздуха смешивается в период продувки с продуктами сгорания и теряется. Основным достоинством этой системы продувки является простота устройства, что способствует ее широкому применению.

В судовых малогабаритных ДВС часто применяется контурная петлевая щелевая система продувки с лучевым расположением окон в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра (рис. 21, б). Выпускные окна 2 расположены под продувочными 1, имеющими наклон около 10-15°. При движении поршня вниз сначала открываются выпускные окна, затем продувочные. Воздух, поступающий через продувочные окна, вогнутым днищем поршня направляется вверх, описывает петлю и поступает к выпускным окнам, вытесняя через них продукты сгорания. Расположение выпускных окон над продувочными способствует снижению расхода воздуха на продувку, но при этом теряется значительная часть заряда свежего воздуха.

В двухтактных ДВС применяются два типа прямоточной продувки:

• клапанно-щелевая;
• и щелевая.

Схема прямоточной клапанно-щелевой продувки приведена на рис. 21, в. Продувочный воздух поступает через окна 1, расположенные по всей окружности цилиндровой втулки в нижней ее части. Продувочные окна расположены тангенциально в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра. Это создает круговое движение воздуха и способствует улучшению очистки цилиндра от продуктов сгорания и повышению качества смесеобразования. Выпуск продуктов сгорания осуществляется через выпускной клапан 2, расположенный в крышке цилиндра и приводящийся в действие от распределительного вала. При клапанно-щелевой продувке выпускной клапан закрывается раньше, чем продувочные окна, что создает возможность дозарядки цилиндра воздухом. По качеству очистки цилиндров от продуктов сгорания прямоточные клапанно-щелевые системы продувки превосходят контурные, но уступают прямоточным щелевым.

Прямоточная щелевая продувка применяется в двигателях с противоположно движущимися поршнями (рис. 21, г). При движении поршней навстречу друг другу в цилиндре происходит сжатие воздуха. При расширении газов поршни расходятся; сначала верхний поршень открывает выпускные окна 2, а затем нижний – продувочные 1. Опережение открытия выпускных окон составляет 5-10° поворота коленчатого вала. Продувочные окна также расположены тангенциально, а выпускные в большинстве случаев располагаются радиально.

Для подачи необходимого количества воздуха во всасывающий ресивер двухтактного ДВС применяются специальные продувочные нагнетатели (насосы) поршневого, роторного и центробежного типов. В некоторых ДВС (с небольшим объемом рабочих цилиндров) продувочным насосом может служить кривошипная камера или пространство между кривошипной камерой и цилиндром. Поршневые продувочные насосы просты по своему устройству, надежны в работе и применяются в судовых малооборотных ДВС.

Широкое распространение на судах промыслового флота получили роторные продувочные насосы. Такой насос показан на рис. 22.

В корпусе 6 вращаются роторы 4 и 5. Валы роторов, установленные в подшипниках качения, соединены между собой посредством шестерен и приводятся в действие от коленчатого вала двигателя. Между коленчатым валом и ведущим валом роторного насоса установлена упругая муфта (демпфер). Роторы 4 и 5 во время работы не соприкасаются друг с другом, так как между ними установлен небольшой зазор. Определенный зазор должен быть также между торцевыми поверхностями роторов и передней и задней крышками корпуса насоса.

При вращении роторов в направлении указанном стрелками, воздух засасывается через автоматически открывающиеся клапаны 7. В насосе он сжимается до давления 0,015-0,025 МПа и через нагнетательный патрубок 1 направляется в продувочный ресивер двигателя. Всасывающие клапаны 3 при этом должны быть плотно закрыты. При реверсировании двигателя направление вращения роторов изменится. Перед изменением направления вращения коленчатого вала золотник 2 при помощи воздушного сервомотора повернется и перекроет полость, расположенную в корпусе насоса справа, а полость слева соединит с нагнетательным патрубком 1. Роторы, вращаясь в обратную сторону, будут засасывать воздух через всасывающие клапаны 3, а клапаны 7 автоматически закроются.

Преимуществами роторных воздушных насосов являются простота конструкции, меньшая масса и габаритные размеры по сравнению с поршневыми. Серьезный недостаток этих насосов – большой шум, создаваемый ими во время работы.

Наддув ДВС

Одним из наиболее эффективных способов повышения цилиндровой мощности ДВС является наддув. В судовых ДВС с наддувом воздух в цилиндры поступает под определенным давлением, создаваемым в специальных наддувочных агрегатах, установленных на двигателе. За счет увеличения массы заряда воздуха и цикловой подачи топлива достигается значительное повышение цилиндровой мощности и мощности всего ДВС.

Системы наддува состоят из:

• наддувочных агрегатов (компрессоров);
• воздухоохладителей;
• распределительных органов;
• и ресиверов.

В зависимости от привода компрессоров наддув разделяют на:

• механический;
• газотурбинный;
• и комбинированный.

В ДВС с механическим наддувом центробежный, роторный или поршневой нагнетатель воздуха приводится в действие от коленчатого вала двигателя, на что затрачивается 10 % и более эффективной мощности и снижается экономичность двигателя. Механический наддув применяется в судовых ДВС небольшой мощности.

Использование газотурбинного наддува (рис. 23) дает возможность повысить мощность двигателя в более широких пределах, чем при механическом наддуве.

В этом случае подача воздуха во всасывающий ресивер двигателя осуществляется через воздухоохладитель ВО компрессором К, приводимым во вращение газовой турбиной Т, использующей энергию выхлопных газов. Компрессор и газовая турбина компонуются в один агрегат, который называется газотурбокомпрессором (ГТК). В зависимости от назначения ДВС турбина работает при постоянном или переменном давлении выхлопных газов, средняя температура которых перед турбиной составляет 400-450 °С. Газотурбинный наддув широко применяется в четырехтактных ДВС, а также в малооборотных двухтактных ДВС с прямоточной клапанной продувкой.

Комбинированный наддув применяется в основном в мощных малооборотных двухтактных ДВС с контурной продувкой, когда мощность газовых турбин недостаточна для привода воздухонагнетателя. При этом одновременно используется газотурбинный и механический наддув. Недостаточная мощность газотурбонагнетателя (ГТН) компенсируется мощностью воздухонагнетателя, приводимого в действие от коленчатого вала ДВС или от электродвигателя. В крейцкопфных ДВС в качестве воздухонагнетателя широко используются подпоршневые полости рабочих цилиндров. Это улучшает маневренность двигателя, так как при малых нагрузках и низкой частоте вращения мощность газовых турбин резко снижается. Подпоршневые воздухонагнетатели при отключенных ГТН обеспечивают работу ДВС и скорость хода судна до 75 % от номинальной. При умеренном наддуве давление воздуха, создаваемого нагнетателем, составляет 0,13-0,15 МПа, при высоком наддуве – 0,17-0,25 МПа и выше.

Для увеличения массы заряда воздуха, поступающего в цилиндр, и снижения тепловой напряженности деталей цилиндра-поршневой группы применяются воздухоохладители, позволяющие повысить мощность двигателя и его экономичность. В судовых ДВС используется несколько типов воздухоохладителей:

• с круглыми трубками без оребрения;
• с плоскими оребренными трубками и др.

Система топливоподачи

Топливо, используемое в судовых ДВС, должно обеспечивать:

• легкий и надежный пуск;
• качественное распыливание;
• полное сгорание и бездымный выхлоп;
• отсутствие повышенного нагарообразования в камере сгорания и т. д.

Используемые в ДВС топлива получаются путем переработки нефти и делятся на две группы:

• дистиллятные;
• и тяжелые.

К дистиллятным топливам относятся дизельные сорта, выпускаемые по ГОСТ 4749-73 и не требующие подогрева. Они предназначены для применения в средне- и высокооборотных ДВС, а также в малооборотных ДВС во время пуска и маневров. Топливо по ГОСТ 4749-73 вырабатывается следующих марок:

• ДА – дизельное арктическое;
• ДЗ – дизельное зимнее;
• ДЛ – дизельное летнее;
• и ДС – дизельное специальное.

К группе дистиллятных относится также газотурбинное топливо, которое в последние годы находит применение в судовых ДВС. К нему относится газотурбинное топливо (ГОСТ 10433-75), характеризующееся:

• малой вязкостью (до 3° ВУ₅₀);
• низкой зольностью (до 0,02 %);
• незначительным содержанием механических примесей (до 0,03 %);
• но высоким содержанием серы (до 2,5 %) и смолистых веществ (до 25 %).

Малая вязкость и невысокая стоимость газотурбинного топлива позволяют использовать его в главных и вспомогательных ДВС без предварительного подогрева. Газотурбинное топливо по качественным показателям значительно уступает дизельному. Оно имеет повышенную температуру застывания, склонность к значительному нагарообразованию и отложению смолистых веществ, что сдерживает более широкое его использование в судовых ДВС.

Тяжелые топлива, применяемые в судовых ДВС, в зависимости от вязкости подразделяют на средне- и высоковязкие сорта.

К средневязкому топливу относятся моторное топливо ДТ (ГОСТ 1667-68) и флотские мазуты Ф5 и Ф12 (ГОСТ 10585-75). Моторное топливо ДТ используется в малооборотных и среднеоборотных ДВС. Оно имеет более высокую вязкость и более низкое качество по сравнению с дизельным топливом, а поэтому требует предварительного подогрева и более тщательной очистки перед подачей в цилиндры двигателя.

Флотские мазуты Ф5 и Ф12 применяют в малооборотных и среднеоборотных судовых ДВС, а в последнее время и в высокооборотных ДВС.

К высоковязкому топливу относятся моторное топливо ДМ (ГОСТ 1667-68), экспортный мазут +10 °С (МРТУ 12Н41-63) и топочный мазут 40 (ГОСТ 10585-75). Высоковязкие топлива используются в судовых малооборотных ДВС. Относительно низкая стоимость этих топлив способствует их использованию с целью повышения экономических показателей судовой силовой установки. Но их успешное применение требует выполнения целого ряда подготовительных мероприятий.

Система топливоподачи служит для подвода топлива к главным и вспомогательным двигателям. Она состоит из топливной аппаратуры и топливной системы. К топливной аппаратуре относятся:

• форсунки;
• и топливные насосы высокого давления (ТНВД).

Топливная система состоит из:

• цистерн и отсеков для хранения запасов топлива;
• расходных цистерн;
• перекачивающих и подкачивающих насосов;
• сепараторов;
• подогревателей;
• фильтров;
• трубопроводов;
• арматуры;
• контрольно-измерительной аппаратуры и т. д.

Цистерны для хранения запасов топлива располагаются в основном в отсеках двойного дна. Согласно Правилам Регистра России на судне должен быть аварийный запас топлива, рассчитанный не менее чем на 24 ч хода и расходуемый в крайнем случае, когда весь запас из междудонных цистерн использован. Аварийный запас топлива хранится вне междудонного пространства.

Схема системы топливоподачи ДВС дана на рис. 24.

Топливо из расходной цистерны (бака) подается топливоподкачивающим насосом 2 по трубопроводу 3 через двухсекционный фильтр 4 в главную магистраль 10. Давление топлива регулируется редукционным клапаном 1. Из главной магистрали топливо по трубам 9 подводится к топливным насосам высокого давления 5. От них под давлением 20-50 МПа и более топливо по трубам 7 подается к форсункам 6. При заполнении системы топливом воздух удаляется через пробки, расположенные на топливных насосах, а также через спускное устройство 8.

Для подачи топлива из запасных цистерн в расходный бак устанавливают топливоподкачивающий насос, который может быть использован для прокачки и опрессовки топливной системы.

Топливоподкачивающие насосы имеют автономный привод или приводятся в действие от коленчатого вала двигателя. По конструкции они бывают:

• шестеренчатые;
• плунжерные;
• и коловратные.

На трубопроводе перед насосами высокого давления устанавливают манометр и реле давления, сблокированное со световой и звуковой сигнализацией.

Для обеспечения бесперебойной работы топливной аппаратуры топливо необходимо предварительно очищать от воды и механических примесей. Для этого служат:

• отстойные цистерны;
• сепараторы;
• фильтры грубой и тонкой очистки.

Грубую предварительную очистку топливо проходит в сетчатых, каскадных или пластинчато-щелевых фильтрах, улавливающих частицы загрязнений размером свыше 0,06-0,12 мм. В фильтрах тонкой очистки в качестве фильтрующего материала используется:

• фетр;
• хлопчатобумажная пряжа;
• фильтровальная бумага;
• или специальная пористая масса.

Применяются также вставки в виде барабана с плотно прилегающими витками проволоки. Удаление воды из топлива осуществляется отстоем в специальных цистернах или при помощи сепараторов.

Топливные насосы и форсунки

Топливные насосы высокого давления (ТНВД) предназначены для подачи определенного количества топлива к форсункам в строго определенные моменты. В качестве ТНВД используются плунжерные насосы клапанного и золотникового типа. Каждый цилиндр тихоходных ДВС большой мощности имеет свой ТНВД. У быстроходных двигателей ТНВД часто выполняется в виде одного агрегата с числом плунжеров, равным числу цилиндров. Плунжер топливного насоса приводится в движение кулачной шайбой определенного профиля, установленной на распределительном валу двигателя. В исходное положение (ход всасывания) плунжер возвращается под действием пружины. Количество топлива, подаваемое ТНВД, регулируется вручную с поста управления или при помощи центробежного регулятора. Большое распространение в судовых ДВС получили ТНВД золотникового типа, в которых за счет различного положения скоса отсечной кромки плунжера легко осуществляется три способа регулирования подачи топлива:

• изменением момента конца подачи;
• изменением момента начала подачи;
• изменением моментов начала и конца подачи.

В первом случае момент начала подачи топлива (по углу поворота коленчатого вала) остается неизменным на всех режимах, а конец – устанавливается поворотом плунжера, обеспечивающим резкую отсечку топлива. Этот способ регулирования получил широкое распространение, но используется преимущественно в ДВС, работающих с постоянной частотой вращения.

Во втором случае время начала подачи топлива изменяется, а конец – остается неизменным. Такой способ регулирования обеспечивает необходимое изменение опережения подачи топлива в соответствии с изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя. Поэтому он используется в главных ДВС, непосредственно соединенных с гребным винтом.

Третий способ регулирования называется смешанным, так как при нем одновременно изменяется время начала и конца подачи топлива. В последнее время этот способ применяется все чаще для главных ДВС, работающих на переменных режимах широкого диапазона, для которых он наиболее приемлем.

На рис. 25 показан топливный насос золотникового типа, состоящий из:

• плунжера 8;
• втулки 5;
• нагнетательного клапана 2 с пружиной 1;
• втулки 6 с шестерней 9;
• и зубчатой рейки 10.

При движении плунжера вниз топливо поступает в насос через два отверстия 3, а при движении вверх – проходит через нагнетательный клапан 2 и далее по трубам высокого давления к форсунке. В верхней части плунжер имеет продольную прямую канавку 4 и выфрезерованную полость с винтовой кромкой, служащей для открытия одного из всасывающих отверстий 3.

В момент отсечки подача топлива прекращается, так как оно из нагнетательной полости насоса через канавку 4 и отверстие 3 перетекает во всасывающую трубу. При этом давление в нагнетательной полости насоса быстро падает и нагнетательный клапан закрывается. Количество топлива, подаваемого насосом, регулируется поворотом плунжера, который осуществляется при помощи втулки 6 с шестерней 9, свободно насаженной на втулку 5. Втулка 6 в нижней части имеет прорези 7, в которые входят выступы плунжера топливного насоса. Зубчатая рейка 10 входит в зацепление с шестерней 9 и, перемещаясь в ту или другую сторону, поворачивает шестерню со втулкой 6, а с ними и плунжер 8. Винтовая кромка плунжера, поворачиваясь, изменяет момент открытия всасывающего отверстия, а следовательно, и количество подаваемого топлива.

Топливо к ТНВД может поступать самотеком из расходных цистерн, расположенных на определенной высоте над двигателем. Но в большинстве случаев оно подается топливоподкачивающим насосом под давлением 0,05-0,15 МПа, что позволяет преодолеть сопротивление топливоподводящего трубопровода.

Топливный насос клапанного типа с приводом показан на рис. 26.

В корпусе 11 устанавливается втулка плунжера 14, крепящаяся нажимной гайкой 12. Движение плунжера 15 вверх осуществляется от кулачков распределительного вала через ролик 1 и толкатель 2. Возвратное движение плунжера происходит под действием пружины 13.

Всасывание топлива происходит через клапан 8, которым управляют толкатели 4 и 7. Всасывающий клапан крепится гайкой 9 и служит также для регулирования подачи топлива за каждый ход плунжера через нагнетательный клапан 10. Отсечной рычаг 16 опирается на эксцентриковую шейку валика 3. Правый конец отсечного рычага получает качательное движение от толкателя плунжера, а левый – при помощи толкателей 4 и 7 действует на всасывающий клапан. Когда плунжер насоса под действием пружины 13 движется вниз, левый конец рычага 16 поднимается вверх и при помощи толкателей открывает всасывающий клапан. В результате этого топливо из магистрали заполняет полость над плунжером. При движении плунжера вверх топливо вытесняется обратно во всасывающую полость насоса до тех пор, пока левый конец отсечного рычага 16 не опустится настолько, что всасывающий клапан полностью закроется. С этого момента оставшееся над плунжером топливо сжимается и, преодолевая усилие пружины форсунки, впрыскивается в цилиндр двигателя. Чем позже закроется всасывающий клапан, тем меньше топлива будет подано в цилиндр двигателя за один ход плунжера. Если клапан не закроется совсем, то все топливо при нагнетательном ходе плунжера вытеснится во всасывающую полость насоса и подача его в цилиндр двигателя прекратится.

Момент закрытия всасывающего клапана изменяется за счет длины толкателя 4, имеющего для этой цели регулировочный болт 6 с контргайкой 5. Кроме того, момент закрытия всасывающего клапана изменяется поворотом эксцентрикового валика 3, на конце которого насажен рычаг, соединенный с тягой, общей для всех насосов. Перемещение этой тяги рукояткой поста управления или регулятором частоты вращения двигателя вызывает изменение подачи топлива одновременно всеми насосами.

При регулировании момента закрытия всасывающего клапана топливного насоса одновременно с изменением количества подаваемого топлива изменяется и момент начала подачи топлива в цилиндр ДВС.

Форсунки двигателей служат для распыливания и равномерного распределения топлива в камере сгорания и обеспечения резкого прекращения подачи топлива в определенный момент. Форсунки разделяются на два основных типа: открытые и закрытые.

Открытые форсунки не имеют запорного органа (иглы), разделяющего нагнетательный трубопровод и сопловые отверстия.

В Топливные системы высокого давления в судовых двигателяхсудовых двигателях применяются в основном закрытые форсунки, исключающие резкое ухудшение распыливания топлива при малых нагрузках и низкой частоте вращения. В закрытых форсунках игольчатый клапан (игла) разобщает сопловые отверстия и нагнетательный трубопровод. Игла нагружена пружиной и открывается автоматически давлением топлива или при помощи механического привода.

На рис. 27 показана закрытая форсунка, состоящая из корпуса 4 с щелевым фильтром 9.

Внутри корпуса располагается толкатель 5 с пружиной 6, натяжение которой регулируется винтом 7 с контргайкой 8. Распылитель 1 крепится к корпусу форсунки накидной гайкой 3. Торцевые поверхности корпуса и распылителя тщательно притираются друг к другу. Нижний торец корпуса форсунки закален и является ограничителем подъема иглы 2 распылителя. Пружина 6, расположенная внутри корпуса, при помощи стержня толкателя 5 прижимает иглу 2 к уплотняющему конусу распылителя. Последний имеет отверстия, через которые топливо впрыскивается в цилиндр двигателя. Топливо к распылителю подводится через щелевой фильтр 9 по каналу А. При соответствующем давлении топлива на дифференциальный конус иглы последняя поднимается и топливо распыливается через сопловые отверстия.

Форсунка на крышке цилиндра крепится двумя шпильками. Между форсункой и крышкой цилиндра устанавливается уплотнительная красномедная прокладка, которая предварительно отжигается.

Смесеобразование в ДВС

Процесс смесеобразования происходит почти мгновенно: от 0,03 до 0,06 с в тихоходных ДВС и от 0,003 до 0,006 с – в быстроходных. Для достижения полного сгорания топлива в цилиндрах необходимо обеспечить получение рабочей смеси требуемого состава и качества. При неудовлетворительном смесеобразовании (из-за плохого перемешивания топлива с воздухом) при недостатке кислорода в рабочей смеси происходит неполное сгорание, которое ведет к снижению экономичности работы ДВС. Экономичная работа двигателя достигается в первую очередь за счет обеспечения наиболее полного и быстрого сгорания топлива в цилиндрах вблизи ВМТ. Очень важное значение при этом имеет распыливание топлива на мельчайшие по возможности однородные частицы и равномерное распределение их по всему объему камеры сгорания.

В судовых ДВС применяют в основном:

• однокамерный;
• предкамерный;
• и вихрекамерный способы смесеобразования.

При однокамерном смесеобразовании топливо в мелкодисперсном состоянии под высоким давлением впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, образованную днищами поршня, крышки и стенками цилиндра. При непосредственном впрыскивании топливным насосом создается давление 20-50 МПа, а в отдельных типах двигателей 100-150 МПа. Качество смесеобразования зависит главным образом от согласования конфигурации камеры сгорания с формой и распределением факелов горения топлива. Для этого сопла форсунок имеют 5-10 отверстий диаметром 0,15-1 мм. Топливо во время впрыскивания, проходя через малые отверстия в сопле, приобретает скорость более 200 м/с, что обеспечивает его глубокое проникновение в воздух, сжатый в камере сгорания.

Качество перемешивания частиц топлива с воздухом зависит прежде всего от формы камеры сгорания. Очень хорошее смесеобразование достигается в камере, показанной на рис. 28 и впервые предложенной Гессельманом. Она широко используется в четырех- и двухтактных ДВС.

Бортики 1 у краев поршня предотвращают попадание частиц топлива на стенки втулки 2 цилиндра, имеющей сравнительно низкую температуру.

ДВС большой мощности часто имеют поршни с вогнутым днищем. Камера сгорания, образованная крышкой цилиндра и поршнем такой конструкции, позволяет добиться хорошего смесеобразования.

При смесеобразовании с непосредственным впрыскиванием топлива в неразделенную камеру последняя может иметь простую форму с относительно малой поверхностью охлаждения. Поэтому ДВС с однокамерным способом смесеобразования просты по конструкции и наиболее экономичны.

Недостатки однокамерного способа смесеобразования следующие:

• необходимость повышенных коэффициентов избытка воздуха для обеспечения качественного сгорания топлива;
• чувствительность к изменению скоростного режима (из-за ухудшения качества распыливания при понижении частоты вращения коленчатого вала двигателя);
• очень высокое давление впрыскиваемого топлива, усложняющее и удорожающее топливную аппаратуру.

Кроме того, из-за малых отверстий сопел форсунок необходимо применять тщательно очищенное топливо. По этой же причине очень трудно осуществить однокамерное смесеобразование в быстроходных ДВС малой мощности, так как при незначительном расходе топлива диаметры отверстий сопел форсунок должны быть значительно уменьшены. Изготовить Насос-форсунки судовых топливных системмногодырчатые форсунки с очень малым диаметром сопловых отверстий очень трудно, кроме того такие отверстия во время работы быстро засоряются и форсунка выходит из строя. Поэтому в быстроходных ДВС малой мощности более эффективно смесеобразование с раздельными камерами сгорания (предкамерное и вихрекамерное), осуществляемое с однодырчатой форсункой.

На рис. 29 показан цилиндр ДВС с предкамерным смесеобразованием.

Камера сгорания состоит из предкамеры 2, расположенной в крышке, и главной камеры 1 в надпоршневом пространстве, соединенных между собой. Объем предкамеры составляет 25-40 % общего объема камеры сгорания. При сжатии воздух, находящийся в цилиндре, с большой скоростью входит через соединительные каналы 4 в предкамеру, создавая в ней интенсивное вихреобразование. Топливо под давлением 8-12 МПа впрыскивается в предкамеру однодырчатой форсункой 3, хорошо перемешивается с воздухом, воспламеняется, но сгорает лишь частично из-за недостатка воздуха. Оставшаяся (несгоревшая) часть топлива вместе с продуктами сгорания под давлением 5-6 МПа выбрасывается в основную камеру сгорания. При этом топливо интенсивно распыливается, перемешивается с воздухом и сгорает. К преимуществам две с предкамерным смесеобразованием относится то, что они не требуют наличия топливной аппаратуры, работающей под очень высоким давлением и не нуждаются в топливе высокой степени очистки.

Основными недостатками этих две являются:

• более сложная конструкция цилиндровых крышек, создающая опасность образования трещин из-за тепловых напряжений;
• трудность пуска холодного двигателя;
• повышенный расход топлива из-за несовершенного смесеобразования.

Относительно большая поверхность стенок предкамеры вызывает сильное охлаждение воздуха при его сжатии во время пуска двигателя, что затрудняет получение температуры, необходимой для самовоспламенения топлива. Поэтому в двигателях с предкамерным способом смесеобразования допускают более высокое сжатие (степень сжатия достигает 17-18), а также применяют электрические запальные свечи и подогрев засасываемого воздуха в период пуска.

Вихрекамерный способ смесеобразования также применяется в быстроходных ДВС небольшой мощности. В этих двигателях камера сгорания также разделена на две части. Вихревая камера (рис. 30), имеющая шаровую или цилиндрическую форму, помещается в крышке цилиндра или цилиндровом блоке и сообщается с основной камерой сгорания соединительным каналом, направленным по касательной к стенке вихревой камеры.

Благодаря этому сжатый воздух, перетекающий в вихревую камеру через соединительный канал 1, получает в ней вращательное движение, способствующее хорошему перемешиванию топлива с воздухом. Объем вихревой камеры составляет 50-80 % общего объема камеры сгорания. Топливо подается в вихревую камеру однодырчатой форсункой 2 под давлением 10-12 МПа. Диаметр отверстия сопла форсунки составляет 1-4 мм.

Применение вихрекамерного способа распыливания топлива обеспечивает достаточно полное сгорание топлива в быстроходных ДВС. Недостатками таких двигателей является повышенный расход топлива и трудность его пуска. Для облегчения пуска ДВС в ход используется электрическая запальная свеча 3, расположенная рядом с форсункой.

Удельный расход топлива у двигателей с предкамерным и вихрекамерным способом смесеобразования на 10-15 % выше, чем у двигателей с однокамерным смесеобразованием.

Система охлаждения ДВС

Система охлаждения предназначена для отвода тепла от деталей двигателя, подверженных нагреву горячими газами и для поддержания допустимых температур, определяемых жаропрочностью материалов, термостабильностью масла и оптимальными условиями протекания рабочего процесса. В зависимости от конструкции ДВС количество тепла, отводимого в охлаждающую жидкость, составляет 15-35 % тепла, выделяемого при сгорании топлива в цилиндрах.

В качестве охлаждающей жидкости используется пресная и забортная вода, масло и дизельное топливо.

Для судовых ДВС используются проточная и замкнутая системы охлаждения. При проточной системе охлаждение двигателя осуществляется забортной водой, прокачиваемой насосом. Система забортной воды включает следующие основные элементы:

• кингстонные ящики с кингстонами;
• фильтры;
• насосы;
• трубопроводы;
• арматуру и приборы управления, сигнализации и контроля.

Согласно Правилам Регистра России система должна иметь один днищевой и один-два бортовых кингстона. Система забортной воды может иметь два насоса, один из которых является резервным одновременно для пресной и забортной воды. Аварийное охлаждение двигателей может обеспечиваться от насосов холодильной установки или пожарной системы судна.

Проточная система охлаждения проста по конструкции, требует небольшого количества насосов, но двигатель охлаждается относительно холодной забортной водой (не более 50-55°С). Выше температуру поддерживать нельзя, так как уже при 45 °С начинается интенсивное отложение солей на поверхности охлаждения. Кроме того, все полости системы, в которых протекает охлаждающая забортная вода, сильно загрязняются шламом. Отложения солей и шлама значительно ухудшают теплопередачу и нарушают нормальное охлаждение двигателя. Омываемые поверхности подвергаются значительной коррозии.

Судовые ДВС имеют, как правило, замкнутую (двухконтурную) систему охлаждения, при которой в двигателе циркулирует пресная забортная вода, охлаждаемая в специальных водяных холодильниках. Водяные холодильники прокачиваются забортной водой.

Одним из основных преимуществ этой системы является возможность поддержания охлаждаемых полостей в более чистом состоянии, так как система заполнена пресной или специально очищенной водой. Это в свою очередь позволяет легко поддерживать наивыгоднейшую температуру охлаждающей воды в зависимости от режима работы двигателя. Температура пресной воды, выходящей из двигателя, поддерживается следующая:

• для тихоходных ДВС 65-70 °С;
• для быстроходных – 80-90 °С.

Замкнутая система охлаждения является более сложной, чем проточная и требует повышенного расхода энергии на работу насосов.

Для защиты поверхностей втулок и блоков со стороны охлаждения от коррозионно-кавитационного разрушения и образования накипи применяют антикоррозионные эмульсионные масла ВНИИНП-117/119, «Шелл Дромус ойл В» и другие. Эти масла имеют практически одинаковые физико-химические свойства и методику применения. Они нетоксичны и хранятся в металлической таре при температуре не ниже минус 30 °С.

Антикоррозионные масла образуют с пресной водой стойкую непрозрачную эмульсию молочного цвета. Стойкость эмульсии зависит и от жесткости воды. Тонкая пленка антикоррозионного масла, покрывая поверхность охлаждения ДВС, предохраняет ее от коррозии, кавитационного разрушения и отложения накипи. Для сохранения этой пленки на поверхности охлаждения двигателя необходимо постоянно поддерживать рабочую концентрацию масла в охлаждающей воде около 0,5 % и применять воду определенного качества.

Антикоррозионные эмульсионные масла широко применяются в системах охлаждения ДВС, применяемых на промысловых судах. Методы обработки охлаждающей пресной воды приводятся в инструкциях по эксплуатации двигателей.

В системах охлаждения используются центробежные насосы с электроприводом. Иногда встречаются поршневые насосы, которые приводятся в действие от самого ДВС. Насосы охлаждения создают давление 0,1-0,3 МПа. Охлаждение среднеоборотных ДВС осуществляется в основном при помощи навешенных центробежных насосов забортной и пресной воды.

Принципиальная схема замкнутой системы охлаждения двигателя приведена на рис. 31.

Замкнутый внутренний контур служит для охлаждения двигателя, а проточный внешний – для охлаждения холодильников пресной воды и масла.

Циркуляция воды по замкнутому контуру осуществляется при помощи центробежного насоса 8, подающего воду в нагнетательный трубопровод 10, из которого по отдельным патрубкам она подводится к нижней части блока двигателя для охлаждения каждого цилиндра. Из верхней части блока по переливным патрубкам вода поступает в крышки цилиндров, а из них по отводящему трубопроводу направляется в водяной холодильник 4 и далее во всасывающий трубопровод насоса 8. В системе охлаждения ДВС имеется терморегулятор 3 с термобаллоном 2, который автоматически поддерживает необходимую температуру воды за счет перепуска части ее мимо водяного холодильника 4. Первоначальное заполнение водой внутреннего контура производится через расширительный бак 1. Туда же направляется паровоздушная смесь из отводящего трубопровода двигателя.

Подача воды во внешний контур осуществляется автономным центробежным электронасосом 7, который забирает воду из кингстона через спаренный сетчатый фильтр 9 с запорными клапанами и подает ее последовательно к масляному 5 и водяному 4 холодильникам. Из водяного холодильника вода сливается за борт. Перед масляным холодильником установлен терморегулятор 6, который в зависимости от температуры масла регулирует количество воды, проходящее через холодильник.

Температура и давление воды в системе охлаждения контролируется приборами местного и дистанционного контроля и системой аварийно-предупредительной сигнализации.

Смазочная система ДВС

Смазочная система ДВС предназначена для:

• своевременной подачи необходимого количества очищенного и охлажденного масла к узлам трения (для защиты их поверхностей от износа и коррозии);
• отвода тепла от трущихся поверхностей и деталей;
• удаления продуктов износа и нагара с поверхностей трения и очистки масел.

От совершенства масляной системы и эффективности ее работы в значительной степени зависят надежность и долговечность работы двигателя. В зависимости от способа подвода смазки к трущимся поверхностям деталей и узлов ДВС различают следующие смазочные системы:

• циркуляционную под давлением;
• разбрызгиванием;
• и комбинированную.

Смазка рамовых, шатунных и головных подшипников, подшипников распределительного вала и приводных вспомогательных агрегатов осуществляется при помощи циркуляционной смазки под давлением 0,15-0,6 МПа. Смазка цилиндровых втулок, направляющих поршней и поршневых колец в двигателях малой и средней мощности осуществляется за счет разбрызгивания масла, вытекающего через зазоры подшипников. В мощных среднеоборотных ДВС масло для смазки цилиндровых втулок, поршней и некоторых других узлов подается специальными насосами высокого давления. Автономная смазочная система цилиндров позволяет использовать специальные сорта масел, а также дает возможность регулировать его количество.

В большинстве тронковых ДВС с диаметром цилиндра до 400 мм применяется комбинированная смазочная система, т. е. рамовые, шатунные и головные подшипники и подшипники распределительного вала смазываются маслом, поступающим из циркуляционной системы, а втулки цилиндров, поршни, кольца и т. д. смазываются разбрызгиванием.

Смазочная циркуляционная система в зависимости от расположения маслосборника бывает с мокрым и с сухим картером. В системе с сухим картером масло из поддона двигателя постоянно стекает самотеком или откачивается специальным насосом в отдельную цистерну, установленную вне двигателя. В системе с мокрым картером основной емкостью для масла является поддон или нижняя часть картера, из которой масло забирается масляным насосом двигателя.

В судовых двигателях в качестве масляных применяются в основном шестеренные и винтовые насосы. По приводу масляные насосы могут быть навешенными на двигатель или автономными и с независимым приводом (электродвигателем). Насосы главных двигателей дублируются.

Для смазки цилиндров применяются поршневые насосы плунжерного типа, навешенные на двигатель.

Принципиальная схема циркуляционной смазочной системы ДВС дана на рис. 32.

Она состоит из двух независимых систем:

• системы циркуляционной смазки и охлаждения поршней;
• и системы смазки втулок цилиндров.

Система циркуляционной смазки и охлаждения поршней в свою очередь состоит из масляного насоса 16, автономного маслопрокачивающего насоса 12, фильтров грубой 15 и тонкой 13 очистки, масляного холодильника 14, трубопроводов и приборов регулирования и контроля. Из маслосборника ДВС масло забирается насосом 16 и через фильтр грубой очистки 15 и масляный холодильник 14 подается в главную магистраль. Между фильтром грубой очистки и масляным холодильником параллельно в смазочную систему включен сдвоенный фильтр тонкой очистки, проходя через который часть масла (10-15 %) очищается дополнительно. Из главной магистрали масло поступает на смазку механизмов и узлов двигателя. По трубам 1 и 2 масло подводится на смазку шестерни распределительного вала и к цапфе промежуточной шестерни. От циркуляционной системы осуществляется смазка подшипников 4 распределительного вала, топливных насосов высокого давления 6, воздухораспределителя 7, выносного подшипника коленчатого вала 9, деталей пульта управления 10 и рамовых подшипников коленчатого вала 17. Кроме того, масло подводится на смазку шариковых подшипников водяного насоса 11.

Во время работы двигателя в ресивере продувочного воздуха может скапливаться масло, которое отводится в сборник по трубе 3. Смазка втулок цилиндров осуществляется при помощи лубрикаторов 5, которые заполняются цилиндровым маслом из бака 8. Лубрикаторы позволяют точно дозировать количество подаваемого масла. Смазка на каждую втулку цилиндра подается в четырех точках в верхней ее части через штуцеры.

Пусковые системы ДВС

Пуск судовых главных и вспомогательных ДВС производится в основном сжатым воздухом давлением 2,5-3 МПа. Лишь высокооборотные ДВС малой и средней мощности запускаются при помощи электростартера. Двигатели мощностью до 15 кВт могут запускаться в работу вручную. Согласно Правилам Регистра России главные судовые ДВС должны безотказно запускаться в холодном состоянии при любом положении коленчатого вала. Температура в машинном отделении при этом не должна быть ниже плюс 8 °С.

Система сжатого воздуха должна обеспечивать одновременный пуск и реверсирование всех главных ДВС. Для хранения запаса сжатого воздуха (для пуска главных двигателей) должны быть предусмотрены не менее двух воздухохранителей (или двух групп воздухохранителей). Количество воздуха, находящегося в них, должно обеспечивать не менее 12 пусков каждого главного двигателя попеременно на передний и задний ход.

Если в качестве главных установлены нереверсивные ДВС или дизель-генераторы, то общего запаса воздуха должно быть достаточно для шести пусков двигателя наибольшей мощности из установленных. Пуск вспомогательных ДВС должен осуществляться воздухом из воздухохранителей емкостью, достаточной для выполнения шести пусков двигателя наибольшей мощности, подготовленного к действию. При наличии одного воздухохранителя для вспомогательных ДВС должна быть предусмотрена возможность их пуска от воздухохранителей главных двигателей.

Для воздушного пуска судовых ДВС применяются две основные схемы:

• с автоматическими пусковыми клапанами;
• и с пневматическими пусковыми клапанами.

В двигателях применяются клапаны, управляемые сжатым воздухом, поступающим от распределительного устройства. Схема воздушной системы пуска ДВС с пневматическим управлением пусковых клапанов приведена на рис. 33.

Система состоит из:

• баллона пускового воздуха;
• главного пускового клапана 3;
• пусковых клапанов 2;
• пускового воздухораспределителя 1;
• нагрузочного клапана поста управления;
• главной воздушной магистрали;
• воздушных трубопроводов и приборов контроля.

При перемещении рукоятки поста управления из положения «Стоп» в положение «Пуск» открывается нагрузочный клапан (на схеме не показан), в результате чего управляющий воздух поступает к главному пусковому клапану 3. Он открывается и воздух из пускового баллона по главной магистрали поступает к пусковым клапанам 2 рабочих цилиндров и воздухораспределителю 1. От него воздух поступает для открытия пусковых клапанов 2, которые, поочередно открываясь, подают пусковой воздух в цилиндры двигателя. Рукоятку поста управления держат в положении «Пуск» до появления вспышек в цилиндрах двигателя. После этого рукоятка поста управления переводится в положение «Работа» и фиксируется в положении, соответствующем заданному режиму работы. Нагрузочный клапан при этом автоматически закрывается и подача пускового воздуха прекращается.

Остановка двигателя производится переводом рукоятки поста управления из положения «Работа» в положение «Стоп». Пусковой воздухораспределитель, показанный на рис. 34, служит для управления открытием и закрытием пусковых клапанов рабочих цилиндров. Он устанавливается на полке блока цилиндров и приводится в действие от распределительного вала двигателя.

В корпусе 2 расположено восемь золотников 3 с направляющими поверхностями 5, перемещающихся в радиальном направлении. Воздух от главного пускового клапана поступает в кольцевую полость А и прижимает все золотники к пусковому кулаку 4. Пусковой кулак имеет сегментный срез, позволяющий золотникам перемещаться к его центру. При этом кольцевая полость А поочередно сообщается с каждой из восьми полостей В, а управляющий воздух поступает к пусковым клапанам соответствующего цилиндра. Величина сегментного среза определяет продолжительность подачи воздуха к пусковым клапанам. Когда под действием кулака золотник занимает исходное положение, полость В соединяется с атмосферой через отверстие С, что обеспечивает выход воздуха из пускового клапана и его закрытие. Полости А и В в это время разобщаются.

После пуска двигателя давление в полости А падает, золотники кулаком отбрасываются в исходное (периферийное) положение, где удерживаются фиксаторами, состоящими из шариков 6 и пружины 7. Воздушные полости воздухораспределителя уплотняются прокладкой 8 и резиновым кольцом 1. Главный пусковой клапан предназначен для сообщения пусковой магистрали двигателя с воздушными баллонами при пуске и быстрого отключения и разгрузки ее от давления воздуха после пуска.

Пусковые клапаны, установленные на крышках рабочих цилиндров, служат для подачи воздуха в цилиндры в период пуска. Устройство пускового клапана показано на рис. 35.

В чугунном корпусе 2, закрытом крышкой 6, расположен стальной клапан 3, нагруженный пружиной 5. В крышке 6 располагается поршень 7, который под давлением воздуха может перемещаться вниз, действуя на шток клапана 3. Между корпусом клапана и крышкой цилиндра для уплотнения устанавливается красномедная прокладка 1 и два резиновых кольца 4. Полость а пускового клапана соединена с пусковой магистралью двигателя, но клапан 3 не открывается, так как действие пружины на клапан сильнее действия воздуха. Как только воздух от пускового воздухораспределителя поступит в полость b, под его давлением поршень 7 опустится вниз и откроет пусковой клапан. В результате этого воздух из полости а поступит в цилиндр и двигатель начнет вращаться. После поворота кривошипа данного цилиндра на определенный угол пусковой воздухораспределитель сообщит полость в с картером двигателя, давление в ней упадет и под действием пружины 5 пусковой клапан сядет на свое седло. В результате подача воздуха в этот цилиндр двигателя прекратится.

Системы реверсирования ДВС

Главные судовые ДВС должны обеспечивать возможность изменения направления движения судна, что достигается применением реверсивного устройства, меняющего направление вращения коленчатого вала при маневрах. Реверсивное устройство компонуется вместе с пусковым. Время реверсирования двигателя от момента получения команды с мостика и до начала вращения гребного вала в обратном направлении по Правилам Регистра России не должно превышать 15 с. Кроме указанного способа, изменение вращения гребного вала (гребного винта) может быть достигнуто установкой между нереверсивным двигателем и гребным валом реверсивных передач (реверсивных муфт), а также применением винтов регулируемого шага (ВРШ). В установках с электродвижением изменение вращения гребного вала осуществляется при помощи реверсивного гребного электродвигателя.

Схема устройства для непосредственного реверса ДВС определяется его типом и тактностью, а в двухтактных двигателях – еще и типом продувки. Реверсивное устройство должно обеспечить правильное чередование фаз газораспределения и подачи топлива при вращении коленчатого вала двигателя в обе стороны. С этой целью на распределительном валу четырехтактного двигателя для каждого цилиндра устанавливаются по два комплекта кулачковых шайб одинакового профиля: один для переднего, другой для заднего хода. Шайбы переднего и заднего хода располагают так, чтобы все фазы газораспределения при работе двигателя на передний и задний ход были одинаковыми. Процесс реверсирования ДВС заключается в переключении управления всасывающими и выхлопными клапанами и ТНВД на кулачковые шайбы противоположного хода.

Для осуществления реверса двигатель сначала останавливают, затем под ролики клапанных рычагов подводят кулачковые шайбы обратного хода, после чего двигатель снова пускают в ход сжатым воздухом.

Реверсирование ДВС мощностью до 220 кВт осуществляется с помощью ручных приводов. При большой мощности ДВС перемещение распределительного вала и быстрое реверсирование становятся затруднительными.

На рис. 36 показан реверсивный механизм четырехтактного ДВС с осевым перемещением распределительного вала.

При реверсировании двигателя рукояткой 14 сжатый воздух (масло) подается в одну из полостей сервомотора 2, в результате чего его поршень 1 перемещается из одного крайнего положения в другое. При этом шток поршня 3, соединенный с зубчатой рейкой 4, передвигает ее и штангу 11. Зубчатая рейка, перемещаясь, поворачивает шестерню 13 и валик 12, в результате чего ролик 6 толкателя 5 отводится от кулачковой шайбы 7. При перемещении зубчатой рейки и штанги 11 между роликами 10 проходит криволинейный участок поверхности штанги, что вызывает перемещение распределительного вала 9. Дальнейшее перемещение поршня сервомотора, а с ним зубчатой рейки и штанги, криволинейный участок поверхности которой сменяется на прямолинейный, сопровождается тем, что ролик 6 толкателя 7 опускается на кулачковую шайбу 8. Двигатель готов к пуску в противоположную сторону.

Кроме осевого перемещения распределительного вала реверс ДВС двигателя может быть произведен за счет проворачивания распределительного вала относительно коленчатого на угол реверса и за счет использования симметричных кулачков, оси симметрии которых совпадают с осью кривошипов коленчатого вала. Последний способ используется в двухтактных ДВС «Русский дизель» и не требует никаких специальных реверсивных устройств.

Устройства для реверсирования двухтактных ДВС значительно проще, чем четырехтактных, так как для их реверса достаточно (в основном) изменить фазы подачи сжатого воздуха пусковым воздухораспределителем. Работа топливных насосов не зависит от направления вращения распределительного вала, так как их кулачковые шайбы имеют симметричный профиль.

Автоматическое регулирование скоростного режима ДВС

Судовые ДВС работают с переменными скоростными и нагрузочными режимами. При увеличении нагрузки частота вращения будет уменьшаться, в связи с чем для поддерживания постоянной частоты вращения необходимо увеличить подачу топлива в камеру сгорания. С уменьшением нагрузки, наоборот, частота вращения двигателя будет увеличиваться и подачу топлива следует уменьшить.

Автоматические системы регулирования скоростного режима ДВС должны после изменения внешней нагрузки и окончания переходного процесса восстанавливать первоначальную частоту вращения коленчатого вала или установить новую, соответствующую данной нагрузке.

Регулирование частоты вращения ДВС осуществляется вручную или автоматически при помощи регуляторов, которые по принципу действия делятся на предельные и скоростные, а по способу передачи усилия от чувствительного элемента к органу управления – на регуляторы прямого и непрямого действия. Регуляторы непрямого действия могут иметь жесткие и гибкие (изодромные) обратные связи.

Предельные регуляторы (регуляторы безопасности) ограничивают максимальную частоту вращения двигателя. При повышении частоты вращения на 10-15 % выше номинальной они снижают или полностью выключают подачу топлива в цилиндры.

Регуляторы частоты вращения, автоматически поддерживающие любой скоростной режим, заданный с поста управления двигателем в интервале «Малый ход» – «Полный ход», называются всережимными.

Практически все регуляторы судовых ДВС являются центробежными.

На рис. 37 дана схема предельного регулятора, принцип действия которого заключается в следующем.

На вертикальном валу регулятора, который приводится во вращение от коленчатого вала, жестко закреплена крестовина (траверса) 9, на которой шарнирно (на осях) установлены угловые рычаги с грузами 8. Горизонтальные плечи этих рычагов упираются в муфту 10, нагруженную пружиной 7. Муфта может перемещаться вдоль вертикального вала регулятора. Верхним концом она связана с угловым рычагом 6, который может оказывать действие на пружинную связь 2. Последняя в свою очередь через рычаг 4 действует на регулирующий орган – зубчатую рейку топливного насоса 3, тем самым изменяя подачу топлива.

При работе двигателя на установившемся режиме грузы 8 под действием центробежных сил стремятся разойтись и с помощью горизонтальных плеч рычагов приподнять муфту 10. Этому противодействует пружина 7, подобранная с таким расчетом, чтобы при работе двигателя с допустимой частотой вращения ее усилие на муфту было несколько больше усилия, оказываемого на нее рычагами.

При уменьшении нагрузки частота вращения двигателя увеличивается, что приводит к повышению частоты вращения вертикального вала регулятора. Под действием увеличившейся центробежной силы грузы расходятся, угловые рычаги поворачиваются вокруг своих осей и, преодолевая сопротивление пружины, поднимают муфту 10 вверх. Рычаг 6, перемещаясь вместе с муфтой, передвигает пружинную связь 2 влево, которая через рычаг 4 уменьшает (или совсем отключает) подачу топлива насосами высокого давления. В результате двигатель снижает частоту вращения и центробежная сила грузов уменьшается. Пружина регулятора передвигает муфту вместе с рычагом 6 вниз, а пружина 5 возвращает пружинную связь в первоначальное положение, увеличивая цикловую подачу топлива.

Таким образом, предельный регулятор включается в действие, когда частота вращения двигателя превышает предельно допустимую и может привести к выходу его из строя. Рукоятка 1 и тяга 11 служат для включения и выключения ТНВД в работу.

Большинство главных ДВС промысловых судов, которые 60-80 % эксплуатационного времени работают в условиях постоянно изменяющихся нагрузок, имеют всережимные регуляторы.

Одна из конструкций всережимного регулятора показана на рис. 38.

Он состоит из вертикального вала, вращающегося в подшипниках качения, на нижнем конце которого неподвижно закреплена шестерня 12, приводимая во вращение (через зубчатую передачу) коленчатым валом.

В средней части вертикального вала на шпонке установлена крестовина 11, на которой шарнирно (на осях) установлены два груза 10 с угловыми рычагами. Горизонтальные плечи рычагов упираются во втулку 9 и во время работы перемещают ее вдоль вертикального вала. Сверху втулка через муфту 8 нагружена двумя пружинами 6 (внешней и внутренней), упирающимися в подпятник 1. Изменение натяжения пружин осуществляется нижней нарезной частью винта 3, который зафиксирован от проворачивания, но может перемещаться в осевом направлении. Перемещение винта вверх – вниз осуществляется при помощи конической шестерни 2, имеющей винтовую нарезку по внутреннему диаметру. Она выполняет роль гайки и приводится во вращение другой конической шестерней 4, при помощи шпонки жестко закрепленной на горизонтальном валу с маховиком 5 на другом его конце. Вращение маховика в ту или другую сторону сопровождается перемещением винта 3 вверх – вниз, что вызывает изменение силы натяжения пружин.

Муфта 8 рычажной передачей связана с рейкой топливных насосов высокого давления. На любом установившемся режиме двигателя центробежные силы грузов уравновешиваются действием пружин и двигатель вращается с определенной частотой.

При резком сбросе нагрузки и увеличении частоты вращения двигателя выше допустимой работа всережимного регулятора аналогична работе предельного. За счет увеличения частоты вращения грузы 10 расходятся в крайние положения и, преодолевая силу упругости, поднимают втулку 8 и рычаг 7 вверх, тем самым значительно уменьшая подачу топлива в цилиндры. Частота вращения коленчатого вала снижается, центробежные силы грузов уменьшаются и пружины ставят их в положение, близкое к первоначальному. Одновременно с этим подача топлива увеличивается, а частота вращения вновь повышается, но уже на меньшую величину. Так повторяется несколько раз, пока не установится постоянная предельная частота вращения.

Чтобы изменить частоту вращения двигателя в интервале «Малый ход» – «Полный ход», необходимо вращать рукоятку маховика 5 в нужную нам сторону. При вращении его по часовой стрелке винт 3 опускается вниз и через подпятник 1 увеличивает натяжение пружин. Необходимо отметить, что на малых и средних оборотах внутренняя пружина находится в свободном состоянии, а действует только одна внешняя. При дальнейшем повышении частоты вращения в действие вступают обе пружины. Увеличение силы затяжки пружины приводит к сближению грузов, опусканию втулки 8, увеличению подачи топлива и повышению частоты вращения коленчатого вала.

Уменьшение частоты вращения двигателя достигается с поста управления вращением маховика против часовой стрелки. В этом случае сила натяжения пружин уменьшается, грузы 10 под действием центробежной силы разойдутся, горизонтальные плечи угловых рычагов поднимут втулку 8, которая, действуя на рычаг 7, уменьшит подачу топлива в цилиндры двигателя.

Автоматическое регулирование температуры воды и масла

Регулирование температуры охлаждающей воды и смазочного масла в судовых ДВС осуществляется следующими способами:

• дросселированием;
• обводом и перепуском охлаждающей жидкости.

Способ дросселирования заключается в том, что изменение производительности насоса, подающего охлаждающую жидкость к двигателю, производится за счет изменения проходного сечения трубопровода (вентиля). Этот способ чаще применяется при ручном регулировании в системах циркуляции, снабженных центробежными насосами.

К недостатку этого способа регулирования следует отнести то, что система охлаждения при работе ДВС на малых нагрузках часто оказывается под большим гидравлическим давлением, что отрицательно сказывается на уплотнениях самой системы. Кроме того, для поддержания постоянной температуры на малых нагрузках приходится пропускать через двигатель небольшое количество охлаждающей жидкости, что приводит к ухудшению циркуляции, появлению паровых мешков, местных перегревов и т. д.

Способ обвода заключается в применении дополнительной обводной магистрали, по которой перекачивается часть охлаждающей жидкости, минуя охлаждаемый двигатель. Преимуществом этого способа является то, что напор насоса практически не зависит от положения регулирующего органа.

Способ перепуска заключается в перепуске части отходящей из двигателя охлаждающей жидкости в приемную магистраль – на слив идет не вся жидкость, а только ее часть. При использовании способа перепуска через систему охлаждения двигателя прокачивается вода при наибольшем ее расходе, что обеспечивает хорошее смывание и бесперебойный теплоотвод от охлаждаемых поверхностей. В системе охлаждения устанавливаются минимальные перепады температур, в результате чего цилиндровая группа ДВС работает в более благоприятных температурных условиях. Наличие перепуска значительно сокращает время прогрева холодного двигателя.

В системах охлаждения двигателей очень широко используются терморегуляторы прямого и непрямого действия.

На рис. 39 показан терморегулятор прямого действия типа РПД, который применяется в ДВС средней мощности для регулирования температуры воды и масла.

Терморегулятор состоит из двухпроходного корпуса 3, в котором закреплены нижнее 2 и верхнее 4 гнезда сдвоенного клапана 1, нижнего 5 и верхнего 10 штоков, пружины 9 и регулировочной гайки 8, термопатрона 14 с капилляром и сильфоном и др.

Термопатрон устанавливается с помощью ввертыша 13 и гайки 12. При повышении температуры регулируемой среды (воды, масла) давление паров в термопатроне повышается, передается на клапан 1 через штоки 5 и 10 и сжимает пружину 9. Первоначальное натяжение пружины, при котором начинается движение клапана 1, устанавливается регулировочной гайкой 8. Рабочий ход клапана определяется суммарной длиной штоков 5 и 10. В основании 6 терморегулятора установлен нажимной винт 11 сальника, служащего для предотвращения протечки регулируемой среды вдоль штока 5. В процессе эксплуатации сальник периодически поджимается накидной гайкой 7.

Терморегулятор непрямого действия типа ТРП, использующий пневматическую силовую среду, предназначен для регулирования температуры охлаждающей воды и смазочного масла ДВС большой мощности.

Терморегулятор состоит из двух основных узлов – задающего и исполнительного (пневматического регулирующего золотника). Задающий (блок управления терморегулятором) предназначен для выявления отклонений температуры регулируемой среды от заданных значений и преобразования их в изменение давления воздуха в верхней полости мембранного сервомотора пневматического регулирующего золотника.

Системы аварийно-предупредительной сигнализации и защиты ДВС

Системы аварийно-предупредительной сигнализации и защиты служат для извещения обслуживающего персонала о том, что техническое состояние работающего ДВС близко к аварийному. Кроме того, при определенных условиях с помощью специальных приборов и защитных устройств принудительно останавливается двигатель (для предотвращения серьезных поломок или аварий).

Количество контролируемых параметров зависит от типа двигателя, его мощности и быстроходности. Для упрощения и удешевления оборудования системы аварийно-предупредительная сигнализация в ДВС обеспечивает постоянный контроль только над основными параметрами, к которым относятся:

• температуры охлаждающей воды и смазочного масла на выходе из двигателя;
• давление пресной охлаждающей воды и смазочного масла перед двигателем;
• давление топлива перед насосами высокого давления;
• нагрузка на двигатель.

В зависимости от конструкции и назначения ДВС в систему аварийно-предупредительной сигнализации могут быть включены и некоторые другие параметры.

Принципиальная схема аварийно-предупредительной сигнализации дана на рис. 40.

Она обеспечивает контроль над следующими параметрами:

• давлением масла перед двигателем, температурой масла после двигателя;
• температурой пресной охлаждающей воды на выходе из двигателя;
• и уровнем топлива в расходной цистерне.

На масляном трубопроводе установлены сильфонные датчики реле минимального давления 16 и температурного реле 15, на водяном – датчики температурного реле 14, а в расходной цистерне – реле уровня 13. Каждое реле сблокировано с двумя лампами 5 и 6 (зеленой и красной) и ревуном. Действие системы аварийно-предупредительной сигнализации заключается в следующем.

При номинальных значениях контролируемых параметров микровыключатели 17 и их контакты 18 находятся в разомкнутом состоянии; горят зеленые лампы. При срабатывании любого реле его сильфон воздействует на микровыключатель 17, который замкнет контакт 18 и цепь электромагнита 2. В результате этого замкнется контакт 3, что вызовет срабатывание реле 12, замыкание контакта 10 и подачу звукового сигнала ревуном 9 и зуммером 8. Одновременно с этим контакт 4 переключает питание с зеленой лампы на красную. Зуммер может устанавливаться на центральном посту управления, в штурманской рубке или каюте старшего механика. Вместе с зуммером устанавливается красная лампа 7, которая зажигается при замыкании цепи звуковой сигнализации. Для отключения системы звуковой сигнализации служит выключатель 11. Питание системы аварийно-предупредительной сигнализации осуществляется в основном от судовой электрической сети, при помощи выключателя 1.

Система автоматической защиты служит для остановки двигателя при падении давления масла в смазочной системе ниже допустимого и повышении частоты вращения коленчатого вала выше предельного значения. Приборы и устройства, служащие для автоматической остановки двигателя при аварийных ситуациях, выключают подачу топлива насосами высокого давления. Устройство системы автоматической защиты принципиально не отличается от системы аварийно-предупредительной сигнализации, поэтому они часто объединяются между собой через промежуточное реле времени. В этом случае при достижении одним из параметров предельного значения сначала включаются световая и звуковая сигнализация и реле времени, а затем, через определенный промежуток времени (на который отрегулировано реле) срабатывает защита и двигатель останавливается.

Автоматическая защита обычно не применяется в силовых установках с одним главным ДВС, так как внезапная его остановка при швартовках, проходе проливов и т. п. может привести к аварии судна.

Передача мощности на гребной вал

По способу передачи мощности от главного ДВС к гребному валу судовые силовые установки разделяются на три основных типа:

• установки с прямой;
• редукторной;
• и электрической передачами.

Силовые установки с прямой передачей широко используются на промысловых судах с мощностью главных ДВС от 100 до 70 000 кВт. Эти передачи являются наиболее простыми и характеризуются очень малыми потерями мощности, составляющими примерно 2-5 %.

В установках с прямой передачей коленчатый вал главного ДВС жестко соединен с гребным валом, поэтому последний имеет ту же частоту вращения, что и главный двигатель. В зависимости от длины линии валопровода между главным двигателем и гребным валом могут устанавливаться промежуточные валы.

На рис. 41, а дана принципиальная схема силовой установки с прямой передачей мощности от главного ДВС 9 с маховиком 8 на гребной вал 3.

Коленчатый вал двигателя жестко соединен с гребным валом при помощи короткого упорного вала 6 и двух промежуточных валов 4, установленных в опорных подшипниках 5. Гребной вал вращается в дейдвудной трубе 2. Упорный вал 6 выполнен заодно с упорным гребнем, который передает осевое усилие гребного винта 1 упорному подшипнику 7.

Преимуществами прямой передачи являются высокий КПД передачи, простота се устройства, надежность в работе.

Недостаток прямой передачи – при работе двигателя на долевых нагрузках его мощность используется неэффективно, что приводит к значительному увеличению удельного расхода топлива. Кроме того, жесткая связь между двигателем и гребным винтом ухудшает маневренные качества судна, а частые реверсы значительно снижают моторесурс двигателя.

Редукторные передачи используются в судовых силовых установках с быстроходными ДВС, применение которых дает определенные преимущества и в первую очередь уменьшение габаритных размеров и массы установок. В последние годы такие передачи нашли применение в сочетании со среднеоборотными ДВС, так называемые дизель-редукторные агрегаты.

Силовые установки с редукторной передачей чаще всего включают в свой состав два главных ДВС, от которых мощность передается на один гребной вал через редуктор. Между коленчатым валом главных ДВС и редуктором устанавливаются индукционные или гидравлические муфты, которые сглаживают колебания крутящего момента двигателя, обеспечивая плавность зацепления шестерен редуктора, быстрое отключение валопровода от коленчатого вала, отключение одного из ДВС при неисправностях и т. д. Широко применяются фрикционные муфты.

Редукторные передачи дают возможность применения в составе силовых установок обратимых электрических валомашин, позволяющих осуществлять отбор мощности от главных двигателей для питания судовых потребителей или, наоборот, использовать мощность судовой электростанции для увеличения скорости движения судна. На рис. 41, б дана принципиальная схема силовой установки с редукторной передачей от главных двигателей 5 к гребному винту 1. Главные двигатели через муфты 4 приводят во вращение валы редуктора с шестернями 3 и 6, которые вращают зубчатое колесо, соединенное с валопроводом 2 и гребным винтом 1. Усилие гребного вала воспринимается упорным подшипником, установленным в корпусе редуктора.

К недостаткам редукторных передач (в сравнении с прямыми) относятся сложность конструкции, меньшие моторесурс и КПД передачи. Несмотря на эти недостатки, возможность рационального использования мощности двигателей при различных режимах работы судна, а также применение быстроходных ДВС относительно небольших размеров и массы делают редукторную передачу наиболее перспективной для промысловых судов.

На рис. 41, в дана принципиальная схема силовой установки с электрической передачей мощности от главных двигателей к гребному винту 1. Главные ДВС 5 приводят в действие генераторы 4, вырабатывающие электрический ток, который подводится к распределительному щиту 3. От него электроэнергия подается к потребителям, в том числе и к гребному электродвигателю 2, соединенному с гребным винтом 1.

Таким образом, происходит двойная трансформация энергии, что приводит к увеличению потерь в передаче и снижению ее КПД.

Электрическая передача имеет ряд преимуществ перед прямой и редукторной. Ее применение позволяет:

• использовать нереверсивные быстроходные ДВС, размещая их независимо от гребных валов;
• эффективно использовать мощность силовой установки независимо от скорости вращения гребного винта;
• легко осуществлять реверс гребного электродвигателя (гребного винта) с помощью переключателей из машинного отделения и рулевой рубки;
• использовать главные генераторы для обеспечения электроэнергией вспомогательных механизмов.

Несмотря на указанные преимущества силовые установки с электрической передачей на промысловых судах широкого применения не получили из-за сложности, высокой стоимости и низкого КПД оборудования по сравнению с другими видами передач. К недостаткам также относится необходимость увеличения числа обслуживающего персонала (в штат машинной команды дополнительно вводятся электромеханики). Такие установки применяются главным образом на производственных рефрижераторах, консервных траулерах и некоторых транспортных судах.

Валопровод

Судовой валопровод предназначен для передачи мощности от ДВС на гребной вал.

На рис. 42 дана принципиальная схема линии валопровода, состоящая из упорного 8, двух промежуточных 5 и 7 и гребного 3 валов, которые соединяются между собой с помощью фланцев.

Упорный вал лежит в упорном подшипнике 9 и своими фланцами соединяется с маховиком двигателя 10 и промежуточным валом 7. Гребной вал вращается в дейдвудной втулке 2. Для предотвращения проворачивания валопровода при неработающем двигателе предусмотрено тормозное устройство 4.

Общая длина валопровода зависит от расстояния между двигателем 11 и гребным винтом 1. При расположении главных ДВС в средней части судна число промежуточных валов может быть более десяти, поэтому, чтобы сократить длину валопровода, машинные отделения размещают по возможности в кормовой части судов. Длину промежуточных валов выбирают с учетом удобства их изготовления и монтажа. Они отковываются из углеродистой стали сплошными или изготовляются полыми заодно с фланцами.

Существуют несколько способов соединения промежуточных валов с гребным и упорным валами. Наиболее широко используется фланцевое соединение, которое является надежным, легким по массе и дешевым в изготовлении.

Промежуточные валы установлены в опорных подшипниках 6, в качестве которых используются подшипники скольжения и качения (шариковые и роликовые двухрядные сферические), однако последние применяются очень редко.

Подшипники скольжения, залитые баббитом, выполняют в основном с индивидуальной смазкой, которая может быть:

• дисковой;
• кольцевой;
• фитильной;
• и комбинированной.

На рис. 43 показана наиболее распространенная конструкция опорного подшипника с дисковой смазкой.

В нижней части корпуса расположены две масляных ванны 1, соединенные между собой с помощью трубы. К верхней части вала масло подается диском 2, который вращается от промежуточного вала. Нижняя часть диска захватывает из ванны масло, которое снимается маслоуловителем 3 и по наклонным каналам 4 подводится к холодильнику 5 опорного подшипника. Масло в ваннах 1 и опорный подшипник охлаждаются забортной водой, которая вначале проходит через змеевик, расположенный в масляной ванне, а затем поступает в водяную полость под нижним вкладышем. Для слива мacлa в корпусе подшипника имеется специальная пробка.

Упорные подшипники служат для восприятия упора гребного вала. В их качестве могут быть использованы подшипники скольжения и качения. Роликовые и шариковые подшипники в качестве упорных применяются на валопроводах малого диаметра. Они значительно проще однодисковых упорных подшипников и хорошо зарекомендовали себя в условиях длительной эксплуатации.

На большинстве новых судов устанавливают подшипники Митчеля.

На рис. 44 показан упорный подшипник Митчеля с индивидуальной комбинированной смазкой.

Упорный вал 7 опирается на вкладыши 2, расположенные в постелях корпуса подшипника 6. Давление от упора гребного валa воспринимается гребнем 9 через упорные сегменты 5 и передается на корпус подшипника через сферические полукольца 4 и упорное кольцо 3. Стальные (бронзовые) сегменты со стороны упорного гребня заливаются баббитом.

При вращении упорного вала в ту или другую сторону сегменты 5 поворачиваются вокруг точки опоры, в результате чего между поверхностями сегментов и гребня образуется клинообразное пространство, заполняющееся маслом. Между трущимися поверхностями образуется масляная пленка, обеспечивающая жидкостное трение и предохраняющая сегменты и гребень от повышенного износа.

Охлаждение смазочного масла производится забортной водой, циркулирующей по змеевику 8. Уплотнение масла в подшипнике осуществляется сальниками 1.

Для наблюдения за уровнем масла в корпусе подшипника и его температурой устанавливаются масломерное стекло и термометр (на рисунке не показаны).

На рис. 45 показано дейдвудное устройство.

Дейдвудная труба 4 служит для прохода гребного вала 6. С носовой стороны труба имеет фланец 2, которым крепится к поперечной водонепроницаемой переборке 3 ахтерпика. Кормовой конец трубы, имеющий наружную резьбу, вставляется в ахтерштевень (старнпост) 8 и закрепляется при помощи гайки 9, которая фиксируется с помощью специальной стопорной планки.

В дейдвудную трубу с кормовой и носовой стороны устанавливаются две бронзовые цилиндрические втулки 7, которые служат опорными подшипниками гребного вала. Втулки облицованы изнутри планками 5 из бакаута или заменителя этого материала. В качестве заменителей бакаута используются:

• древеснослоистые пластики (ДСП);
• текстолит;
• резина;
• баббит.

Между опорными планками набора дейдвудной втулки делают продольные канавки для прохода морской воды, которая одновременно охлаждает и смазывает подшипники. От проворачивания набор удерживается замковой планкой 11, которая винтами крепится к корпусу дейдвудной втулки. Сдвиг набора в осевом направлении предотвращается стопорной шайбой 10.

Для предупреждения попадания забортной воды внутрь судна на носовом конце дейдвудной трубы устанавливается сальник 1 с промасленной пеньковой или хлопчатобумажной набивкой. Затяжка дейдвудного сальника считается нормальной, если через него наблюдается небольшое поступление забортной воды в туннель гребного вала. В связи с тем что гребной вал, расположенный в дейдвудной втулке, в основном омывается забортной водой, его поверхность подвержена интенсивной коррозии. Для защиты шеек гребных валов на них насаживают тонкостенные рубашки из бронзы или нержавеющей стали, которые по мере износа можно восстанавливать наплавкой или заменять новыми. Участок вала между шейками покрывают резиновой облицовкой или эпоксидной смолой.

Для предотвращения проворачивания валопровода при ремонтных работах, буксировке судна и т. д. устанавливается тормоз (рис. 46).

Он состоит из фундамента 1, двух бугелей 4, которые прижимаются к промежуточному валу (или к фланцам валов) с помощью стяжного винта 2 (вручную). Стяжной винт на конце имеет квадрат для установки рукоятки или маховика. Со стороны вала на поверхности бугелей установлены фрикционные ленты 3. Приведенная конструкция тормоза проста и надежна в работе.

Винт регулируемого шага

Винты регулируемого шага широко распространены на судах промыслового флота, так как значительно улучшают тяговые и маневренные качества судов, позволяют выбирать наиболее оптимальные режимы работы силовой установки в различных условиях плавания.

Винты регулируемого шага (ВРШ) обеспечивают любую малую скорость хода судна, в том числе его остановку при вращающемся гребном вале. Их применение исключает необходимость частых пусков и реверсов двигателя, в результате чего увеличивается надежность маневра и значительно уменьшается износ трущихся деталей.

ВРШ являются сложным устройством, поэтому применение их не только улучшает эксплуатационные качества судов, но и предъявляет повышенные требования к квалификации обслуживающего персонала. ВРШ состоит из двух основных элементов:

• винта с поворотными лопастями (ВПЛ);
• и механизма изменения шага (МИШ).

На рис. 47 дана упрощенная схема устройства ВРШ с четырехлопастным ВПЛ и гидравлическим МИШ.

Поворот лопастей винта осуществляется с помощью механизма изменения шага, представляющего собой гидравлический цилиндр 9 с поршнем 8, жестко закрепленным на штанге 10, проходящей внутри полого гребного вала. На кормовом конце штанги 10 в полости ступицы 11 винта установлен ползун 12 с четырьмя пазами, в которых размещены пальцы 14, эксцентрично закрепленные в дисках лопастей 1. Ползун под действием штанги может совершать только возвратно-поступательное движение, при котором пальцы разворачивают лопасти в ту или другую сторону. Механизм изменения шага является силовым гидравлическим агрегатом, встроенным в линию валопровода и служащим для создания усилия, необходимого для поворота лопастей.

Поворот лопастей осуществляется при помощи рукояток постов управления, расположенных в машинном отделении, в носовой (и кормовой) рулевой рубке. При этом включается в действие основной (или резервный) масляный насос, который через реверсивный золотник подает рабочее масло по трубопроводам 5 и 6 к маслобуксе 4, а из нее по каналам в гребном валу и штанге – в левую или правую полость цилиндра МИШ.

При движении поршня 8 и штанги 10 вперед ползун 12 развернет лопасти в положение, соответствующее переднему ходу судна, и, наоборот, при движении поршня и штанги назад ползун развернет лопасти в положение, соответствующее заднему ходу судна.

Одновременно с ходом поршня МИШ передвигается зубчатая рейка 7, закрепленная на носовом конце штанги 10. После достижения заданного разворота лопастей зубчатая рейка через механизм управления ставит реверсивный золотник в среднее положение и дальнейший поворот лопастей прекращается.

Масло в ступицу винта подается из бака 3 через буксу масловвода 2 и далее по кольцевому сечению между гребным валом и штангой 10. Оно предназначено для смазки:

• механизма поворота лопастей;
• опорных подшипников;
• штанги;
• гребного вала;

и создания гидростатического подпора для защиты от проникновения воды в ступицу через уплотнения лопастей и обтекателя 13.

К недостаткам ВРШ относится их относительная сложность и несколько меньший, чем у винта с фиксированными лопастями, КПД на свободном ходу из-за увеличения диаметра ступицы винта, в которой размещен механизм поворота лопастей.

Работу винта регулируемого шага обеспечивают следующие вспомогательные обслуживающие системы:

• гидросистема ВРШ;
• система дистанционного управления шагом ВПЛ;
• система указателей шага.

Гидросистема ВРШ предназначена для:

• подачи рабочего масла в МИШ;
• смазки узлов и деталей ВПЛ;
• охлаждения маслобукс и аварийного поворота лопастей.

В соответствии с этим гидросистема подразделяется на:

• основную;
• аварийного поворота лопастей;
• смазки ВПЛ;
• охлаждения маслобукс.

Основная гидросистема обеспечивает работу МИШ и включает в себя:

• основной маслобак, расположенный над ВРШ и оборудованный воздушной и приемной трубами, указательной колонкой, термометром, отстойником, сливным краном и т. д.;
• нижний маслобак для сбора масла из систем охлаждения, маслобуксы МИШ, гребного вала и для других утечек;
• основной и резервный масляные насосы;
• сдвоенный фильтр;
• реверсивный золотник;
• предохранительный клапан;
• трубопроводы;
• арматуру;
• реле давления и контрольно-измерительные приборы.

Система аварийного поворота лопастей обеспечивает их перекладку в случае выхода из строя основного и резервного масляных насосов.

В систему аварийного поворота лопастей входят:

• маслобак;
• ручной поршневой насос;
• гибкие шланги высокого давления и трубопровод к маслобуксе МИШ.

Аварийную перекладку лопастей можно осуществлять при остановленном и работающем гребном вале.

Система дистанционного управления предназначена для изменения шага ВПЛ из носовой и кормовой рулевых рубок и машинного отделения. В комплект системы входят:

• посты управления ВРШ, переключатели постов управления, расположенные в носовой рулевой рубке и машинном отделении;
• переключатели насосов (основного и резервного);
• реле давления и т. п.

Система указателей шага служит для контроля за положением лопастей винта.

Подготовка ДВС к пуску

Обслуживание судовых ДВС должно вестись в строгом соответствии с инструкциями заводов-изготовителей и Правилами обслуживания судовых дизелей и ухода за ними. Выполнение требований заводских инструкций обязательно и в тех случаях, если они не согласуются с отдельными положениями Правил.

Особого внимания требуют главные ДВС, так как они обеспечивают ход и безопасность плавания судна. Перед пуском двигателя его необходимо осмотреть и подготовить к работе. Одновременно готовятся к работе все системы и механизмы, обслуживающие ДВС. Механизмы управления пуском, реверсом и топливоподачей должны передвигаться без заеданий и применения больших усилий. Уровень масла в картере регулятора частоты вращения должен соответствовать метке на его указательном стекле. Необходимо подать питание на приборы автоматики для проверки действия системы аварийно-предупредительной сигнализации и защиты.

Подготовка смазочной системы начинается с проверки уровня масла в сточных цистернах и картере ДВС, в маслосборниках газотурбонагнетателей, воздуходувок и в насосах высокого давления.

При температуре воздуха в машинном отделении плюс 15 °С и ниже масло необходимо предварительно прогреть до температуры 25-45 °С. Подогрев масла должен сопровождаться перекачиванием его насосом через двигатель с одновременным проворачиванием вала валоповоротным устройством или вручную.

При охлаждении двигателя забортной водой необходимо прокачать системы, двигатель и газотурбонагнетатель до полного удаления воздуха. При замкнутой системе охлаждения необходимо проверить наличие и уровень пресной воды по водоуказательному стеклу на расширительном баке. Если температура охлаждающей пресной воды ниже плюс 15 °С, необходимо прогреть ее до температуры 25-45 °С. Для более равномерного прогрева двигателя насос пресной воды должен работать постоянно. Одновременно готовится к работе система забортной воды, для чего открываются соответствующие клинкеты и клапаны и производится пробный пуск насоса забортной воды. Убедившись, что системы функционируют нормально, насос останавливают.

Если форсунки, установленные на двигателе, охлаждаются водой, топливом или маслом, необходимо запорные клапаны в системе установить в рабочее положение и пустить соответствующий насос.

При подготовке топливной системы необходимо:

• подкачать топливо в расходные цистерны;
• спустить из них отстой;
• проверить чистоту фильтров;
• и удалить воздух из системы, заполнив ее топливом.

При применении тяжелых или высоковязких сортов топлива следует:

• прогреть трубопроводы топливной системы;
• пустить в ход устройства для подогрева, сепарации и фильтрации топлива;
• а также переключить клапаны для работы ДВС в период пуска и прогрева на топливе, не требующем подогрева.

При подготовке системы пуска двигателя:

• наполняют баллоны сжатого воздуха;
• продувают их для удаления скопившегося конденсата и масла.

Если двигатель имеет систему наддува, то необходимо подготовить к работе охладители наддувочного воздуха и обратить внимание на чистоту и крепление фильтра заборника воздуха. Кроме того, следует спустить воду и масло из ресивера продувочного насоса, впускного и выпускного коллекторов, а также из газовой и воздушной полостей газотурбонагнетателей.

Читайте также: Анализ конструкций судовых ДВС

Проворачивание и пробные пуски главных ДВС воздухом в силовых установках с прямой передачей мощности на гребной вал производятся только после получения разрешения на это от капитана или вахтенного помощника. При проворачивании и пробных пусках ДВС с разобщительными муфтами или дизель-генераторов такое разрешение с мостика необязательно. Пуск главных дизель-генераторов осуществляется по разрешению старшего механика и с ведома вахтенного электромеханика или другого лица, ответственного за эксплуатацию электрооборудования.

Перед самым пуском ДВС проворачивают валоповоротным устройством при открытых индикаторных клапанах, следят за отсутствием пропусков воды, топлива, масла в местах соединений деталей и систем. Одновременно наблюдают за нагрузкой на электродвигатель валоповоротного устройства по амперметру. Повышение нагрузки сверх допустимой или резкие колебания стрелки амперметра указывают на неисправности в двигателе, которые до пуска необходимо устранить.

Перед пуском главного двигателя с ВРШ следует проверить и подготовить к действию систему управления винтом регулируемого шага. Необходимо согласовать указатели шага винта на всех постах управления и выполнить все указания заводской инструкции по эксплуатации ВРШ.

После этого производятся пробные пуски и реверсы ДВС сжатым воздухом без подачи топлива при открытых индикаторных кранах. При отсутствии замечаний закрывают индикаторные краны и считают двигатель готовым к пуску на топливе.

До пуска главного ДВС в работу необходимо проверить правильность показаний телеграфа в машинном отделении и на мостике и действие всех средств связи машинного отделения с мостиком.

После окончания подготовки главного ДВС к работе вахтенный механик докладывает об этом старшему механику и на командный мостик.

Пуск ДВС

После получения распоряжения с мостика по машинному телеграфу производится пуск главного ДВС в последовательности, изложенной в заводской инструкции по его эксплуатации.

В установках с ВРШ главный двигатель пускается при развороте лопастей, соответствующем «нулевому упору».

После пуска двигатель следует нагружать постепенно, давая ему прогреться. Время, необходимое для прогрева двигателя до включения его под нагрузку после пуска, устанавливается заводской инструкцией и сокращать его запрещается, кроме случаев, вызванных обеспечением безопасности судна и экипажа.

Во время работы судовой силовой установки обслуживающий персонал обязан обеспечивать режим работы ДВС согласно указаний с мостика, осуществлять наблюдение за работой двигателя, обслуживающих его вспомогательных механизмов и систем по показаниям контрольно-измерительных приборов и с помощью системы аварийно-предупредительной сигнализации и защиты. Кроме того, следует не реже чем каждые 30 мин осматривать двигатель, проверяя состояние и температуру всех доступных для осмотра трущихся и движущихся деталей. Не реже одного раза в час необходимо контролировать распределение нагрузки по цилиндрам (по температуре выхлопных газов или другим приборам), а также смазывать трущиеся детали соответствующей смазкой вручную. Зоны запретных частот вращения (если они есть) должны быть отмечены красными секторами на тахометрах. При изменении частоты вращения следует как можно быстрее проходить указанные зоны.

Во время работы двигателя давление и температура смазочного масла в циркуляционной системе должны поддерживаться в пределах, указанных инструкцией завода-изготовителя. Не реже одного раза в час следует проверять уровень масла в сточных цистернах или в картере двигателя. Увеличение или резкое понижение уровня масла свидетельствует о неисправностях в системе, которые необходимо немедленно выявить и устранить.

Очистка масла в циркуляционной системе осуществляется при помощи фильтров и сепараторов. Повышенный перепад давлений масла до и после фильтров свидетельствует об их чрезмерном загрязнении. В этом случае переводят работу системы на второй спаренный фильтр, а загрязненную секцию разбирают, промывают, продувают сжатым воздухом и устанавливают на место. Сепараторы масла также периодически разбираются для очистки от грязи и промывки в установленные сроки.

Насосы высокого давления, подающие масло на смазку рабочих цилиндров и других деталей, должны быть отрегулированы на определенную подачу. Недостаточная смазка приводит к повышенному износу трущихся деталей и к их задирам, а излишняя – к отложению нагара на поршнях и пригоранию поршневых колец (в канавках).

Расходные топливные цистерны должны быть постоянно заполнены топливом не менее чем на половину своей емкости, так как в топливную систему во время качки может попасть воздух. Попадание воздуха в топливные насосы высокого давления в большинстве случаев приводит к вынужденной остановке ДВС. Расходные цистерны должны иметь краны для спуска отстоя, который удаляют 1-2 раза за вахту.

Температура пресной воды в замкнутой системе охлаждения допускается до 60-85 °С, а в некоторых случаях и выше. При этом разность температур на входе в двигатель и выходе из него должна быть:

• для замкнутой системы 7-15 °С;
• а для проточной- 10-20 °С.

Разность температур следует регулировать за счет перепуска отходящей воды от двигателя в приемную полость насоса охлаждения.

Уровень воды в расширительной цистерне при замкнутой системе охлаждения должен поддерживаться на 2/3 водоуказательного стекла. Значительное падение уровня указывает на утечку воды из системы, а повышение – на попадание забортной воды в пресную.

Баллоны пускового воздуха должны своевременно наполняться и периодически продуваться под пайолы для удаления воды и масла.

При работе двигателей с наддувом необходимо:

• следить за чистотой воздушных фильтров газотурбонагнетателей, за температурой и давлением наддувочного воздуха;
• не реже двух раз за вахту удалять из наддувочного ресивера скопившиеся воду и масло;
• а также периодически (1 раз за вахту) контролировать частоту вращения газотурбонагнетателя.

Температура наддувочного воздуха регулируется изменением подачи воды в воздухохолодильник.

Техническая эксплуатация главных двигателей должна вестись с нагрузками, не превышающими номинальные. Однако в исключительных случаях, грозящих безопасности судна и экипажа, по приказанию капитана допускается работа главного ДВС с перегрузкой. Режим и время работы двигателя с перегрузкой указываются в инструкциях заводов-изготовителей. Правила Регистра России требуют, чтобы двигатели допускали возможность перегрузки не менее 10 % номинальной мощности в течение одного часа. Частота вращения при этом не должна превышать номинальную более чем на 3 %.

Реверсирование и остановка ДВС

Изменение направления движения судна достигается за счет изменения вращения гребного винта. При реверсировании ДВС с непосредственной передачей на винт необходимо установить рукоятку управления в положение «Стоп», выключить подачу топлива в рабочие цилиндры и после остановки двигателя произвести его пуск в обратном направлении. В случаях, связанных с угрозой для жизни людей или опасностью для судна,
допускается торможение двигателя сжатым воздухом.

Реверсирование силовых установок с ВРШ должно производиться только за счет разворота лопастей винта в требуемом направлении. Реверсирование двигателем допускается в крайних случаях, при неисправности систем или установок ВРШ в целом. Время реверсирования двигателя и перекладки лопастей ВРШ указывается в инструкции завода-изготовителя. Если эти данные отсутствуют, то необходимое время для реверсирования двигателей с непосредственной передачей на винт или работающих на гребной вал через редуктор не должно превышать 15 с.

Согласно требованиям Правил Регистра России при работе двигателя на задний ход должна обеспечиваться следующая мощность:

• для двигателя с непосредственной передачей на винт – не менее 85 % номинальной;
• а для установок с ВРШ (при реверсе ВРШ) не менее 100 % номинальной мощности.

Остановка ДВС, работающего со средней или полной нагрузкой, производится по команде с мостика. Двигатель рекомендуется останавливать, постепенно уменьшая частоту вращения. Перед остановкой дизель-генераторов сначала следует снять нагрузку, а затем постепенно уменьшить частоту вращения до нуля.

Остановку ДВС необходимо производить рукояткой на посту управления. На некоторых судах остановку главного ДВС можно осуществлять при помощи дистанционного привода с рулевой рубки (мостика). Пользоваться для этой цели запорным клапаном на топливоподводящем трубопроводе не следует, так как это вызывает подсос воздуха в топливную систему.

Характерные неисправности

В процессе технической эксплуатации судовых ДВС возникают характерные неисправности, которые чаще всего бывают из-за нарушений инструкций заводов-изготовителей и Правил обслуживания судовых дизелей и ухода за ними.

Из-за большого разнообразия конструкций судовых ДВС рассмотреть, все случаи и причины неисправностей невозможно, поэтому остановимся лишь на наиболее часто встречающихся неполадках.

1 При пуске ДВС сжатым воздухом коленчатый вал не проворачивается.

Причинами этого могут быть:

• невыключенное валоповоротное устройство;
• сильно зажатый сальник дейдвуда;
• неотжатый тормоз валопровода;
• неисправность пускового устройства и отсутствие необходимого давления воздуха в пусковой магистрали.

Для устранения неисправностей необходимо выключить валоповоротное устройство, ослабить затяжку сальника дейдвуда и отжать тормоз валопровода.

При заедании главного пускового клапана или пусковых клапанов отдельных цилиндров следует попытаться стронуть их вручную на месте. Если это невозможно, необходимо неисправные клапаны разобрать, очистить от нагара, промыть, смазать и установить на место.

2 Уменьшается частота вращения ДВС при работе его под нагрузкой.

Причинами этого могут быть:

• недостаточный прогрев двигателя перед включением его под нагрузку;
• неравномерное распределение нагрузки по цилиндрам, перегрузка двигателя;
• неисправности в работе одного или нескольких ТНВД;
• засорение впускного коллектора и воздушных фильтров;
• падение давления продувочного или наддувочного воздуха;
• неисправность регулятора частоты вращения и уменьшение подачи топлива в цилиндры вследствие сильного загрязнения фильтров.

В случае значительной разницы распределения нагрузки по цилиндрам следует остановить двигатель и выполнить все мероприятия, предусмотренные в этом случае заводской инструкцией.

Если двигатель перегружен, то необходимо немедленно снизить частоту вращения главного ДВС, работающего на винт, или уменьшить нагрузку дизель-генераторов.

Ремонт топливных насосов производится после остановки двигателя. Необходимо проверить отсутствие заеданий плунжера, клапанов и толкателей привода, а также исправность пружин, роликов и кулачных шайб ТНВД. Выявленные дефекты устранить, а негодные детали заменить новыми.

При уменьшении давления продувочного или наддувочного воздуха следует при первой возможности вскрыть (разобрать) продувочный насос или наддувочный агрегат для осмотра и ремонта.

3 Постепенно уменьшается частота вращения двигателя.

Основные причины:

• заедание одного из поршней;
• а также подплавка одного или нескольких рамовых подшипников.

Необходимо остановить двигатель, осмотреть поршни и втулки цилиндров и при обнаружении задира вскрыть рабочий цилиндр, вынуть поршень и тщательно осмотреть все детали кривошипношатунного механизма. Проверить системы смазки и охлаждения. В зависимости от характера повреждения дефектные детали зачистить или заменить новыми. Произвести сборку ДВС с установкой номинальных зазоров во всех соединениях. Во втором случае необходимо вскрыть картер и проверить температуру нагрева рамовых подшипников. Сильно нагретые подшипники следует разобрать, устранить дефекты и собрать, установив номинальные зазоры.

4 Двигатель внезапно останавливается.

Причинами могут быть:

• прекращение подачи топлива к ТНВД;
• содержание в топливе большого количества воды;
• и попадание воздуха в топливный трубопровод и топливные насосы.

В первом случае необходимо закачать топливо в расходную цистерну до установленного уровня. Два других случая рассматривались выше.

5 Двигатель стучит во время работы.

Это может быть вызвано:

• большим опережением подачи топлива;
• большим количеством подаваемого топлива в цилиндры;
• заеданием игл форсунок;
• большими зазорами в головном или шатунном подшипниках;
• а также большими зазорами между зубьями шестерен привода.

Зазоры в подшипниках или шестернях привода устанавливаются в период профилактического ремонта, за исключением случаев, когда дальнейшая эксплуатация двигателя грозит аварией. Устранение остальных неисправностей рассматривалось выше.

6 Во время работы двигателя «стреляют» предохранительные клапаны.

Основными причинами являются:

• перегрузка одного цилиндра или всего двигателя;
• большое опережение подачи топлива;
• попадание воды в цилиндр во время его наполнения воздухом;
• ослабление затяга пружины предохранительного клапана или заедание его в открытом состоянии.

В последнем случае необходимо после остановки двигателя отрегулировать затяжку пружины, расходить предохранительный клапан или заменить его новым.

7 Двигатель не останавливается при переводе рукоятки управления в положение «Стоп».

Это происходит из-за:

• неправильной установки (или нарушения во время работы двигателя) «нулевого положения» топливных насосов;
• неисправности регулятора частоты вращения или заедания связи регулятора с ТНВД.

Двигатель в этом случае следует остановить выключением подачи топлива к топливным насосам с помощью быстрозапорного клапана на топливном трубопроводе или индивидуальным выключением каждого топливного насоса.

Техника безопасности при обслуживании ДВС

Судовые двигатели, а также механизмы, устройства и трубопроводы, их обслуживающие, должны удовлетворять требования правил техники безопасности.

Главный двигатель должен обеспечивать не только заданную мощность, но и длительную безопасную работу. То же самое относится и к вспомогательным дизель-генераторам.

При подготовке ДВС к пуску на посту управления должна быть закреплена табличка, предупреждающая о том, что валоповоротное устройство включено или выключено.

Категорически запрещается производить пуск двигателя кислородом или каким-либо горючим газом.

Сжатый воздух перед поступлением в пусковые баллоны должен быть охлажден в воздухохолодильниках компрессоров до температуры не выше 40 °С.

Запрещается пуск ДВС в работу при:

• неисправном состоянии пускового и реверсивного устройства;
• пониженном давлении смазочного масла, топлива и охлаждающей воды;
• отсутствии или неисправности штатных контрольно-измерительных приборов и аварийно-предупредительной сигнализации и защиты.

Перед пуском двигателя должно быть тщательно проверено положение клапанов, кранов и пробок, установленных на самом двигателе и обслуживающих системах. Неправильное их положение может привести к аварии или несчастному случаю.

Перед включением валоповоротного устройства необходимо убедиться, что:

• в картере отсутствуют люди;
• ремонтные работы закончены;
• а проворачивание двигателя не приведет к поломкам его деталей.

Приступать к пуску ДВС можно только после получения от вахтенного штурмана разрешения и сообщения, что за кормой нет людей и шлюпок.

При пуске ДВС обслуживающий персонал не должен находиться вблизи движущихся частей двигателя и линии валопровода, у стравливающих клапанов ресивера и на верхних решетках, расположенных на уровне крышек цилиндров.

Во время работы двигателя производить на нем какпе-либо ремонтные работы запрещается.

У двухтактных ДВС нельзя допускать скопления масла и воды в продувочном ресивере. Попадание масла вместе с воздухом в рабочие цилиндры может привести к взрыву и работе двигателя «в разнос», даже при выключенной подаче топлива. В этом случае необходимо быстро и полностью закрыть доступ воздуха в продувочный насос. Попадание воды в рабочие цилиндры приводит к гидравлическим ударам, которые сопровождаются серьезными поломками деталей двигателя.

Пары масла при определенной их концентрации и температуре образуют внутри картера опасную взрывчатую смесь. Перегрев отдельных деталей в работающем двигателе способствует образованию взрывоопасных концентраций и является основной причиной воспламенения смеси. Попадание воды и топлива в систему смазки увеличивают опасность взрыва в картере двигателя.

Для предотвращения взрывов масляных паров необходимо содержать в исправности предохранительные клапаны, установленные на крышках люков, вентиляционные устройства и приборы, сигнализирующие об опасной концентрации газов в картере двигателя.

На видных местах в машинном отделении должны быть вывешены (или нанесены на переборку) предупредительные надписи, запрещающие открытие картера горячего двигателя ранее чем через 10-20 мин после его остановки.

При проведении ремонта двигателя на его пульте управления должна быть повешена табличка «Не пускать – работают люди».