Судовые энергетические установки с двигателями внутреннего сгорания и газотурбинные установки

Судовые дизельные двигатели (ДВС) представляют собой специальные виды двигателей, предназначенных для привода судов и кораблей. Они отличаются от обычных автомобильных или промышленных дизелей своими особенностями конструкции и параметрами работы. ДВС спроектированы для работы в агрессивных морских условиях, где они подвергаются воздействию соленой влаги, больших перепадов температур, а также долговременной эксплуатации под нагрузкой.

Эти двигатели используются как для главного (пропульсивного) движения судна, так и для привода вспомогательного оборудования, такого как генераторы электроэнергии, компрессоры и насосы. Особенности судовых дизельных двигателей включают высокий крутящий момент при низких оборотах, что позволяет эффективно использовать энергию при медленных скоростях хода судна. Также они могут работать на различных видах топлива, включая тяжелые мазуты, что делает их универсальными и приспособленными к разнообразным условиям морской эксплуатации.

Принцип действия, классификация и основные характеристики судовых ДВС

Схема устройства и принцип действия двигателя. Двигатель внутреннего сгорания – это машина, которая преобразует тепловую энергию, полученную в результате сжигания топлива внутри двигателя, в механическую работу. Двигатель, в цилиндре которого топливо воспламеняется под действием высокой температуры, получаемой во время сжатия воздуха, называется дизелем. На флоте, дизели получили наибольшее распространение.

Устройство дизеля схематически показано на рис. 1.

Цилиндр 7, закрытый сверху крышкой 4, установлен на станине 9, закрепленной на фундаментной раме 16. С помощью рамы двигатель устанавливается и закрепляется на судовом фундаменте 15. В цилиндре дизеля находится поршень 5, который с помощью поршневого пальца 6 соединен с шатуном 8. Другой конец шатуна соединен с мотылевой шейкой 10 коленчатого вала, который состоит из колена (кривошипа) и рамовых шеек 12. Колено образовано двумя щеками 11 и мотылевой шейкой 10. Рамовыми шейками коленчатый вал укладывается в рамовые подшипники 13 фундаментной рамы. Механизм, образованный шатуном и коленчатым валом, называется кривошипно-шатунным. Он служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре во вращательное движение коленчатого вала.

Рассматривая рис. 1, легко убедиться, что перемещение поршня (например, вниз) приводит к повороту коленчатого вала. Коленчатый вал имеет фланец 14, к которому присоединен вал потребителя энергии двигателя, т. е. вал гребного винта, электрогенератора или насоса.

Принцип действия Обслуживание деталей судового двигателя внутреннего сгораниядвигателя внутреннего сгорания состоит в следующем. Через впускной клапан 1 в цилиндр попадает воздух, а через топливный клапан, называемый форсункой 2, подается топливо (см. рис. 1). Топливо в цилиндре сгорает, образуются газообразные продукты сгорания с высокими температурой и давлением. При горении топлива происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания. Высокое давление продуктов сгорания приводит в движение поршень. При перемещении поршень через кривошипно-шатунный механизм поворачивает коленчатый вал и вал приводного механизма (например, гребного винта), т. е. производит полезную механическую работу. Одновременно с движением поршня объем цилиндра над поршнем увеличивается и находящиеся в нем газы расширяются; давление, температура, а следовательно, и тепловая энергия их уменьшаются. Таким образом, происходит преобразование тепловой энергии продуктов сгорания в работу поршня и коленчатого вала.

После расширения в цилиндре газы выпускаются в атмосферу через клапан 3. Затем процессы:

• впуска воздуха;
• подачи топлива;
• горения;
• расширения и выпуска газов повторяются.

В двигателе внутреннего сгорания преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию газов и преобразование тепловой энергии в работу происходит внутри цилиндра двигателя. По этой причине такие двигатели получили наименование двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Надобность в преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала вызвана тем, что большинство приводных механизмов требует вращательного движения. Для более равномерного вращения на коленчатом валу часто устанавливают маховик 17.

На рис. 1 приведена схема одноцилиндрового двигателя. Обычно применяют многоцилиндровые двигатели, состоящие из ряда одинаковых цилиндров и общего коленчатого вала.

Основные конструктивные характеристики двигателя – это диаметр цилиндра и ход поршня. Под диаметром цилиндра D понимается его внутренний диаметр. Путь поршня от ВМТ до НМТ составляет ход поршня S, который равен двум радиусам кривошипа:

Когда поршень находится в ВМТ, между его верхней поверхностью и нижней поверхностью крышки цилиндра остается некоторый объем, называемый объемом камеры сгорания V_с. При перемещении от ВМТ до НМТ поршень описывает объем, называемый рабочим объемом V_р.

Объем, заключенный между поршнем и крышкой цилиндра, когда поршень находится в НМТ, называется полным объемом V_п:

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания (сжатия) называется степенью сжатия ε:

Степень сжатия показывает, что сколько раз сжимается воздух в цилиндре дизеля при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. В современных дизелях:

Для работы двигателя необходимо обеспечить определенную последовательность процессов:

• наполнение цилиндра воздухом;
• сжатие воздуха;
• подачу топлива и горение;
• расширение продуктов сгорания и удаление отработавших газов.

Этот ряд последовательно протекающих в цилиндре процессов, обеспечивающих непрерывную работу двигателя, называется рабочим циклом. Часть рабочего цикла, протекающая за один ход поршня, называется тактом.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала, называются четырехтактными, а двигатели, в которых рабочий процесс совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала, – двухтактными.

Схема работы четырехтактного двигателя показана на рис. 2.

1-й такт – впуск воздуха в цилиндр (наполнение). Поршень движется вниз. Принудительно открывается находящийся в крышке цилиндра специальный впускной клапан а. При движении поршня вниз через проходное сечение клапана в цилиндр поступает воздух. Для обеспечения максимального наполнения цилиндра свежим зарядом воздуха впускной клапан открывается с опережением в 15-30° п. к. в. (поворота коленчатого вала) до ВМТ (точка 1) и закрывается с углом запаздывания 10-30° после НМТ (точка 2). Таким образом, процесс впуска осуществляется на протяжении угла 220-250° ПКВ. Если воздух поступает в цилиндры двигателя непосредственно из атмосферы (двигатели с атмосферным всасыванием), то вследствие сопротивлений во впускном тракте давление в цилиндре в период впуска будет несколько ниже атмосферного. Воздух в этом случае всасывается поршнем в цилиндр. Именно такой процесс показан в нижней части рис. 1.

В координатах p-v последовательно по процессам воспроизведен график рабочего цикла четырехтактного двигателя. Цифровые обозначения идентичны обозначениям положений кривошипов для соответствующих моментов. Такая диаграмма рабочего цикла называется индикаторной. Она имеет важное значение для контроля за правильностью осуществления рабочих процессов в двигателе и служит для определения мощности двигателя.

2-й такт – сжатие. Процесс сжатия происходит при движении поршня вверх с момента закрытия впускного клапана (точка 2) до ВМТ. Воздух, находящийся в цилиндре, сжимается до давления примерно 3-4 МПа (30-40 кгс/см²). Объем воздуха к моменту прихода поршня в ВМТ становится равным объему камеры сжатия. При сжатии воздух сильно нагревается (в среднем до 600 °С). Когда поршень подходит к ВМТ, за 10-30° ПКВ до нее (точка 3), в цилиндр через форсунку впрыскивается топливо; оно попадает в нагретый до высокой температуры воздух, перемешивается с ним и воспламеняется.

3-й такт – горение и расширение. Сгорание смеси протекает в течение 40-60° ПКВ (конец сгорания – точка 4). В цилиндре образуются продукты сгорания – газы высоких параметров. Температура их достигает 1 800 °С, а давление 5-8 МПа (до 50-80 кгс/см²). Расширяясь, газы давят на поршень (клапаны в крышке цилиндра в это время закрыты) и перемещают его вниз. Поршень через шатун действует на коленчатый вал, приводя его во вращение.

4-й такт – выпуск. После такта расширения происходит процесс удаления из цилиндров отработавших газов, или выпуск. Он начинается в конце расширения, когда поршень не доходит до НМТ на 20-50° ПКВ (точка 5). В это время открывается находящийся в крышке цилиндра второй клапан – б (выпускной). Давление отработавших газов превышает давление окружающего воздуха, поэтому они начинают вытекать из цилиндра через открытый клапан в выпускную трубу (свободный выпуск). При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень из нижней мертвой точки будет двигаться вверх и выталкивать оставшиеся отработавшие газы (принудительный выпуск). Температура отработавших газов составляет примерно 400-500 °С.

Выпускной клапан закрывается с запаздыванием на 10-30° угла ПКВ после ВМТ (точка 6). Таким образом, в период 1-6 впускной и выпускной клапаны одновременно открыты. Такое положение называется перекрытием клапанов; оно способствует лучшей очистке и наполнению цилиндров. Общий угол ПКВ за процесс выпуска составляет 225-250°.

Схема работы двухтактного дизеля изображена на рис. 3.

Устройство такого дизеля, у которого рабочий цикл совершается за два такта, отличается от устройства четырехтактного тем, что вместо впускного и выпускного клапанов в нижней части цилиндра имеются выпускные В и продувочные П окна. Выпускные окна соединяются с трубой, выходящей в атмосферу. Продувочные окна соединены с ресивером Р. Ресивер служит емкостью, в которую под небольшим давлением продувочным насосом Н нагнетается воздух. Верхние кромки продувочных окон расположены ниже верхних кромок выпускных окон.

1-й такт – продувка и сжатие воздуха в цилиндре. При положении поршня в НМТ через открытые продувочные окна воздух, нагнетаемый продувочным насосом под давлением 1,2-1,8 кгс/см², заполняет объем цилиндра, одновременно выталкивая оставшиеся отработавшие газы через выпускные окна.

При движении вверх от НМТ поршень перекрывает сначала продувочные, а затем выпускные окна. С этого момента воздух, заполнивший цилиндр через продувочные окна, начинает сжиматься. К концу сжатия, когда поршень подходит к ВМТ, в цилиндр через форсунку Ф впрыскивается топливо.

2-й такт – горение, расширение, выпуск и продувка. После того как поршень перейдет ВМТ, начинается сгорание впрыснутого в цилиндр распыленного топлива и расширение продуктов сгорания, в результате чего поршень движется от ВМТ к НМТ, совершая работу. В конце расширения поршень открывает сначала выпускные окна, и отработавшие газы с большой скоростью устремляются наружу; при этом давление в цилиндре быстро падает. Когда поршень откроет продувочные окна, через них в цилиндр под давлением поступает свежий заряд воздуха, вытесняя оставшиеся отработавшие газы.

Индикаторная диаграмма двухтактного дизеля показана на рис. 3, б. (Обозначения точек те же, что на рис. 2.)

Моменты открытия и закрытия окон и подачи топлива в зависимости от угла поворота коленчатого вала изображены на круговой диаграмме газораспределения (рис. 3, в). Обозначения моментов газораспределения на круговой диаграмме одинаковы с обозначениями соответствующих моментов рабочего процесса на индикаторной диаграмме и схеме работы дизеля.

Очистка цилиндра с одновременным заполнением его зарядом свежего воздуха и сжатие этого воздуха совершаются в течение 1-го такта; за это время коленчатый вал сделает половину оборота. Расширение газов и выпуск их наружу совершаются в течение 2-го такта; коленчатый вал сделает за это время вторую половину оборота. Следовательно, весь цикл двухтактного двигателя совершается за один оборот коленчатого вала.

В отличие от рассмотренной схемы существуют конструкции Особенности работы судовых дизельных двигателейдвухтактных дизелей, у которых свежий заряд воздуха в цилиндр подается через окна, а выпуск отработавших осуществляется через выпускные клапаны.

Давления и температуры сжатия и сгорания у двухтактных дизелей такие же, как у четырехтактных. Температура же выпускных газов у двухтактных дизелей несколько ниже и составляет 200-400 °С.

Классификация двигателей. Существует следующая классификация двигателей внутреннего сгорания.

По назначению двигатели делят на главные и вспомогательные. Главные двигатели обеспечивают ход судна, приводят в движение гребные винты; вспомогательные обеспечивают работу вспомогательных механизмов.

По осуществлению рабочего цикла двигатели, как уже говорилось, бывают четырехтактные и двухтактные.

По способу образования горючей смеси двигатели могут быть с внутренним или с внешним смесеобразованием. К первой группе относятся двигатели, у которых топливо впрыскивается в рабочий цилиндр через специальное устройство (форсунку) под действием давления, создаваемого топливным насосом. Впрыснутое топливо мелко распыляется и смешивается в цилиндре с воздухом, сильно нагретым в результате сжатия. Такие двигатели называют дизелями.

Ко второй группе относят карбюраторные двигатели, т. е. такие, у которых горючая смесь из паров топлива и воздуха подготовляется в особом приборе – карбюраторе. Из него горючая смесь подается в цилиндр двигателя.

По способу наполнения рабочего цилиндра свежим зарядом различают двигатели без наддува – с наполнением рабочего цилиндра воздухом в результате разрежения, создаваемого в цилиндре при движении поршня вниз, и двигатели с наддувом, в которых воздух в рабочий цилиндр подается при повышенном давлении, создаваемом специальным нагнетателем (воздушным компрессором), в результате чего достигается увеличение заряда и повышение мощности.

По способу воспламенения горючей смеси в цилиндре различают:

• двигатели, у которых мелко распыленное топливо воспламеняется при смешивании со сжатым воздухом, имеющим высокую температуру (дизели);
• двигатели, у которых горючая смесь воспламеняется от электрической искры, получаемой от специального устройства (карбюраторные двигатели).

По конструктивному выполнению двигатели бывают тронковые (см. рис. 2), у которых поршень посредством пальца шарнирно соединяется с шатуном, и крейцкопфные (рис. 4, а), у которых поршень 1 через шток 2 жестко соединен с ползуном 3 (крейцкопфом), а последний шарнирно связан с шатуном 5. В тронковых двигателях боковые усилия, возникающие при работе кривошипно-шатунного механизма, воспринимаются поршнем (тронком) и передаются им на стенки цилиндра. У двигателей малой и средней мощности (до 2 000 л. с.) эти усилия относительно невелики, поэтому такие двигатели выполняются тронковыми.

Мощные тихоходные двигатели выполняются крейцкопфными. У крейцкопфных двигателей поршень разгружен от бокового усилия, которое довольно значительно по величине, воспринимается ползуном и передается на направляющие (параллели) 4 станины двигателя.

В зависимости от расположения цилиндров двигатели могут быть выполнены однорядными (рис. 4, в) и V-образными (рис. 4, г).

Двухтактные двигатели иногда выполняют с противоположным движением поршней. В каждом цилиндре такого двигателя находятся два поршня (рис. 4, б), при сближении которых газы сжимаются, а при расхождении – расширяются. Выпуск продуктов сгорания и подача воздуха или горючей смеси в цилиндры производится через окна, расположенные по концам цилиндра.

По направлению вращения коленчатого вала различают двигатели правого и левого вращения. Двигателями правого вращения считаются такие, у которых вращение коленчатого вала на передний ход происходит по часовой стрелке, если смотреть со стороны потребителя энергии (винта, генератора). У двигателей левого вращения коленчатый вал вращается против часовой стрелки.

По способу изменения направления вращения вала двигатели делят на реверсивные и нереверсивные. Реверсивные – это такие двигатели, у которых можно изменить направление вращения коленчатого вала. Мощность их, как правило, велика. Коленчатые валы нереверсивных двигателей вращаются только в одном направлении. Нереверсивными выполняются двигатели мощностью примерно до 220 кВт (300 л. с.). Задний ход судна в этом случае обеспечивается при помощи реверсивной передачи, устанавливаемой между двигателем и гребным винтом.

По частоте вращения различают двигатели:

• малооборотные (n = 100÷200 об/мин);
• среднеоборотные (n = 200÷750 об/мин);
• и высокооборотные (n > 750 об/мин).

Маркировка судовых дизелей. Для краткого обозначения типа двигателя дизелестроительные заводы пользуются условной маркировкой.

Условные буквенные обозначения отдельных характеристик двигателя, применяемые в России и Германии, а также в других главнейших дизелестроительных фирмах и на заводах мира, приведены в таблице.

В соответствии с ГОСТ 4398-48 обозначение российских двигателей состоит из цифры, указывающей число цилиндров, и условных буквенных обозначений характеристик двигателя, после которых дробью показаны диаметр цилиндра и ход поршня (в сантиметрах). Например, обозначение 8ДР 43/61 расшифровывается так: восьмицилиндровый двухтактный реверсивный двигатель с цилиндром диаметром 430 мм и ходом поршня 610 мм. Марка 6ДКРН 74/160 обозначает: двигатель шестицилиндровый двухтактный крейцкопфный реверсивный с наддувом, с цилиндром диаметром 740 мм и ходом поршня 1 600 мм. Обозначение по ГОСТ 4398-48 часто используется как заводская марка. Однако дизели некоторых российских заводов имеют особую маркировку.

В маркировку двигателей заводов Германии входит:

• тактность;
• число цилиндров;
• и ход поршня.

Например, марка двигателя 6NVD-24 расшифровывается так: шестицилиндровый нереверсивный четырехтактный дизель с ходом поршня 240 мм и атмосферным всасыванием. При наличии наддува, а также если дизель реверсивный, обозначение дополняется буквами соответственно А и U, например: 8NVD-48AU.

Мощность и экономичность двигателей. В двигателях внутреннего сгорания, как и в паровых двигателях, различают индикаторную и эффективную мощности.

Индикаторной мощностью N_i называется мощность, развиваемая газами в цилиндре двигателя. Ее определяют по формуле:

где:

• p_i – среднее индикаторное давление, кПа.

Если давление выражено в кгс/см², то формула имеет вид:

В этих формулах p, представляет собой условное постоянное давление, которое, действуя на поршень в течение одного цикла, могло бы произвести работу, равную полезной работе газов за цикл; значение p, зависит от эффективности рабочего процесса;

• F – площадь поршня, м²;
• S – ход поршня, м;
• n – частота вращения, об/мин;
• k – коэффициент тактности (для четырехтактного двигателя k = 2, для двухтактного k = 1).

Из формул видно, что индикаторная мощность какого-то определенного двигателя зависит только от значений среднего индикаторного давления и частоты вращения, так как величины F, S и k остаются постоянными.

Эффективная мощность меньше индикаторной и определяется по выражению:

где:

• η_м – механический коэффициент полезного действия двигателя (учитывает механические потери в деталях движения, а также потери, связанные с приводом навешенных вспомогательных механизмов). Для судовых дизелей в среднем η_м = 0,754÷0,90.

Тепловые потери оцениваются индикаторным КПД η_i, значение которого для дизелей колеблется в пределах 40-50 %. Это означает, что только 40-50 %, теплоты сгорания топлива преобразуется в работу газов в цилиндре. Остальные 60-50 %, уносятся отработавшими газами, охлаждающей водой, маслом, т. е. являются тепловыми потерями.

Основной показатель экономичности работы двигателя – эффективный КПД η_е, который учитывает как механические, так и тепловые потери. Для дизелей значение η_е колеблется в пределах 0,34-0,45. Это означает, что только 34-45 % теплоты сгорания топлива преобразуются в полезную работу, остальные 66-55 % являются потерями.

Кроме коэффициентов полезного действия, экономичность двигателя оценивается удельным эффективным расходом топлива, показывающим, какое количество топлива расходуется в двигателе на получение работы в 1 л. с·ч или 1 кВт·ч.

Удельный эффективный расход топлива g_е колеблется в пределах:

• для мощных малооборотных и среднеоборотных дизелей g_е = 197÷225 г/(кВт·ч) [145÷165 г/(л.с·ч.)];
• для дизелей средней и малой мощности 245÷300 г/(кВт·ч) [180÷220 г/(л. с.·ч.)].

Характеристики и допустимые режимы работы судовых двигателей. Регулируя подачу топлива в цилиндры и изменяя внешнюю нагрузку на дизель (например, поворачивая лопасти винта регулируемого шага или изменяя мощность, потребляемую от генератора), можно изменять частоту вращения вала дизеля и его мощность. Величина мощности, развиваемой при данной частоте вращения, характеризует режим работы дизеля. Если, например, на графике N_е-n (рис. 5) отложить указанные в паспорте номинальные значения мощности N_ен и частоты вращения n_н, то в результате получим графическое изображение точки а номинального режима, а любой режим может быть изображен точкой на этой диаграмме. В эксплуатации частота вращения не может быть выше номинальной n_н или ниже минимальной n_min; поэтому точки реально возможных режимов располагаются между ординатами n_min и n_н.

Особенностью дизеля как энергетического агрегата является следующее интересное обстоятельство: для каждой частоты вращения существует вполне определенное значение предельной мощности, которую разрешается получать от двигателя в эксплуатации в течение продолжительного времени. Так, при n_н это значение соответствует N_ен. Но при минимальной частоте вращения предельная мощность значительно ниже (N′). Линия ab, соединяющая точки предельных мощностей для каждой частоты вращения, называется ограничительной характеристикой. Эта характеристика назначается дизелестроительным заводом и обычно имеет вид прямой (а иногда ломаной) линии. При повышении температуры наружного воздуха или снижении атмосферного давления в цилиндры двигателя попадает меньше воздуха, поэтому и мощность двигателя должна быть снижена. Для этих условий ограничительная характеристика смещается вниз (а′b′).

Сравнительная оценка двигателей внутреннего сгорания. Абсолютное большинство судов рыбопромыслового флота (98 %) имеет дизельные и дизель-электрические установки. Такое широкое применение ДВС объясняется их высокой:

• экономичностью;
• компактностью;
• малой массой;
• и простотой обслуживания.

Кроме того, судовые энергетические установки с ДВС имеют более высокий эффективный коэффициент полезного действия. Так, если КПД установки с паровой машиной составляет около 12 %, а паротурбинной установки – 30 %, то у дизельной установки они равен примерно 40 %.

Минимальное количество обслуживающего персонала и возможность управления с централизованных постов – также одно из преимуществ ДВС. К недостаткам дизельных установок относятся:

• сложность конструкции и высокая стоимость изготовления;
• чувствительность к перегрузкам;
• высокий уровень шума и неравномерность работы;

в результате чего возникают вибрации корпуса судна.

Устройство основных деталей, узлов и систем двигателя

Как видно из схемы, приведенной на рис. Судовые энергетические установки в морской отрасли“Главный турбозубчатый агрегат”, двигатель состоит из неподвижных деталей, образующих остов, и подвижных, образующих кривошипно-шатунный механизм. Кроме этих основных деталей каждый двигатель снабжен рядом систем и устройств. Для своевременного впуска воздуха и выпуска отработавших газов (открытия и закрытия клапанов) двигатели оснащают механизмом газораспределения. Для подачи топлива в цилиндры двигатель оборудуют топливной системой. К трущимся деталям для уменьшения трения необходимо подводить смазочное масло из масляной системы двигателя. Для предотвращения перегрева деталей, нагревающихся горячими газами (поршень, цилиндр, крышка), служит система охлаждения. Пуск двигателя осуществляется при помощи различных пусковых устройств. Для обеспечения заднего хода судна двигатели оборудуют реверсивными устройствами.

К основным неподвижным деталям двигателя, составляющим остов, относятся:

• фундаментная рама;
• станина;
• цилиндры;
• и крышки.

Фундаментная рама служит основанием для двигателя. Цилиндры вместе с крышками (и поршнем) образуют рабочие полости. Станина связывает фундаментную раму с цилиндрами и образует полость, где движется кривошипно-шатунный механизм. Остов двигателя воспринимает силы давления газов в цилиндрах, поэтому он должен быть достаточно прочным, а чтобы не нарушать взаимного расположения деталей – достаточно жестким. Все детали остова прочно соединены в единую конструкцию.

Конструкции остова различаются в зависимости от мощности двигателя. Обычная схема остова двигателя большой мощности показана на рис. 6, а.

Сварная стальная фундаментная рама 1 имеет гнезда 2, в которых установлены рамовые подшипники, служащие постелью для коленчатого вала. Рабочие цилиндры 4 могут быть выполнены одиночными (как указано на рисунке) или отлиты в виде блоков по два-три цилиндра. Наружная часть цилиндра называется рубашкой, в нее запрессованы цилиндровые втулки 6. Между рабочими цилиндрами и фундаментной рамой установлен картер (станина) 3. Цилиндры закрыты крышками 5.

Остов двигателей малых и средних мощностей изображен на рис. 6, б. Он отличается от рассмотренного тем, что все цилиндры объединены в одном блоке 4, который выполнен заодно со станиной; такая конструкция называется блок-картером. Все детали остова в этом случае выполняют литыми, как правило, из чугуна.

Подвижные детали двигателя, образующие кривошипно-шатунный механизм, изображены на рис. 7.

Поршень 4, изготовленный из чугуна или алюминиевого сплава, при помощи стального поршневого пальца 5 соединен с шатуном 1. Так как шатун во время работы двигателя качается на пальце, то в его верхней головке имеется головной подшипник 2. Чтобы предотвратить перемещение поршневого пальца в осевом направлении в отверстиях для пальца, в поршне имеются стопорные кольца 3. На наружной поверхности поршня сделаны канавки, в которых свободно установлены чугунные пружинящие компрессионные кольца 6, препятствующие проникновению газов из полости цилиндра в картер, и маслосъемные кольца 7, которые снимают излишки масла со стенок цилиндра.

Стальной кованый коленчатый вал состоит из рамовых шеек 14, расположенных на одной оси, и мотылевых шеек 13. Все шейки соединены между собой щеками 12. Две щеки и мотылевая шейка образуют кривошип. Рамовые шейки лежат на нижних вкладышах 15 рамовых подшипников, сверху на шейки устанавливают верхние вкладыши. Нижние вкладыши размещаются в гнездах фундаментной рамы, верхние прижимаются специальными крышками.

Каждая мотылевая шейка также охвачена нижним и верхним вкладышами 8 мотылевого подшипника. Вкладыши установлены в нижней головке шатуна, крышка 10 которой притягивается шатунными болтами. Чтобы гайки шатунных болтов во время работы самопроизвольно не отворачивались (что может повлечь за собой аварию), их стопорят специальными шплинтами 11. Рабочие поверхности всех вкладышей покрыты специальным антикоррозионным сплавом, сильно уменьшающим силу трения.

Для более равномерного вращения на кормовом конце коленчатого вала установлен маховик 9 с зубчатым венцом, благодаря которому проворачивается коленчатый вал двигателя. Чтобы уменьшить вредное действие сил инерции, щеки некоторых коленчатых валов снабжают противовесами 17. Для привода различных вспомогательных механизмов, навешенных на двигатель, на носовом конце коленчатого вала предусмотрены шестерни 16.

Кривошипно-шатунный механизм мощных крейцкопфных двигателей имеет несколько иную конструкцию. Верхняя головка шатуна 18 крейцкопфного двигателя – разъемная, вильчатой формы. Она навешена на цапфы 19, закрепленные в поперечине 20, которая в свою очередь соединена с ползуном 21, перемещающимся в направляющих параллелях. Поперечина с цапфами и ползун составляют крейцкопф.

Поршень 23 – небольшой по высоте, болтами он жестко соединен со штоком 22, нижний конец которого закреплен в поперечине крейцкопфа.

Газораспределение в двигателях. Для нормального протекания рабочего процесса в цилиндре двигателя необходимо, чтобы в строго определенный момент в цилиндр подавался свежий воздух (у карбюраторных двигателей – рабочая смесь), цилиндр сообщался с выпускным трубопроводом и очищался от газов.

Наполнение и очистка цилиндра должны происходить в строгом согласовании с положением поршня в цилиндре. Эти функции выполняет механизм газораспределения. Согласование работы газораспределительных органов достигается благодаря тому, что механизм газораспределения кинематически связан с коленчатым валом.

Существует много конструктивных разновидностей Процессы в системе автоматического регулирования скорости дизеля с турбонаддувоммеханизмов газораспределения, но принцип их построения у всех двигателей внутреннего сгорания одинаков.

Механизм газораспределения четырехтактного двигателя показан на рис. 8.

Он состоит из клапанов 1, расположенных в направляющих втулках 2 и удерживаемых в закрытом состоянии пружинами 3, а также распределительного вала 11 и передаточных деталей, к которым относятся толкатель 9, втулка 8 толкателя, штанга 7 и коромысло 4. К распределительному механизму относятся также шестерни, которые приводят в движение распределительный вал.

Механизм газораспределения действует следующим образом. На конце коленчатого вала двигателя насажена шестерня 12. Она приводит в движение шестерню 13, которая в свою очередь вращает шестерню 10 распределительного вала. При вращении распределительного вала его кулачок поднимает толкатель 9, который воздействует на штангу 7, поднимающую правое плечо коромысла 4, заставляя его немного повернуться вокруг оси и левым концом открыть клапан (рис. 8, б). Когда выступ кулачка распределительного вала выйдет из-под толкателя, давление на клапан 1 прекратится и он под действием пружины 3 станет на место – закроет отверстие (рис. 8, а).

Для обеспечения плотного закрытия отверстий клапанами между торцом стержня каждого клапана и коромыслом должен быть некоторый зазор: меньший – для впускного клапана и больший для выпускного (более сильно нагревающегося). Требуемая величина зазора устанавливается регулировочным винтом 6, закрепленным контргайкой 5.

У двухтактных двигателей впуск свежего воздуха и выпуск отработавших газов осуществляется через окна в цилиндре, открываемые и закрываемые рабочим поршнем. Так как времени на процессы наполнения и выпуска в двухтактный двигателях отводится примерно в три раза меньше, чем в четырехтактных (при одинаковой частоте вращения вала), а отработавшие газы вытесняются из цилиндра потоком продувочного воздуха (а не поршнем), все это затрудняет эффективную очистку и наполнение цилиндров. Стремление же к наиболее полной очистке и наполнению рабочего цилиндра привело к созданию большого количества разнообразных систем продувок. Некоторые из них, наиболее распространенные, показаны на рис. 9.

Петлевая поперечно-щелевая продувка с эксцентрическим расположением окон (рис. 9, а) используется в российских двухтактных двигателях и двигателях фирмы Зульцер. Оси продувочных и выпускных окон имеют различные центры пересечения.

Продувочный воздух, проходя через полость цилиндра, делает петлю.

Односторонняя петлевая продувка (рис. 9, б) используется фирмой МАН в мощных малооборотных двигателях. Все окна расположены с одной стороны, причем выпускные окна помещаются над продувочными.

Прямоточная клапанно-щелевая продувка (рис. 9, в) применяется в двигателях фирмы Бурмейстер и Вайн и в мощных судовых двигателях Брянского машиностроительного завода. Свежий воздух поступает через продувочные окна, расположенные по окружности, а отработавшие газы удаляются через клапаны, снабженные таким же приводом, как и у четырехтактного двигателя. Продувочный воздух не делает петли, а движется винтообразно сверху вниз, что улучшает качество очистки цилиндров от отработавших газов.

Наддув двигателей. Для увеличения мощности дизелей все чаще применяют наддув как один из наиболее эффективных и перспективных методов. Наддув – искусственное увеличение заряда воздуха, вводимого в цилиндр двигателя. При наддуве в цилиндр можно ввести большее количество воздуха и соответственно увеличить количество впрыскиваемого топлива, что приведет к повышению количества теплоты, выделяющейся при сгорании в цилиндре, и, следовательно, к увеличению мощности.

В четырехтактных двигателях увеличение заряда воздуха, вводимого в цилиндр, достигается повышением его давления перед подачей в цилиндры, для чего устанавливают специальный воздушный нагнетатель.

В двухтактных двигателях с наддувом продувочные насосы создают большее давление и имеют большую производительность. Обычно дизели с наддувом выполнены так, что в цилиндр подается в 1,5-2 раза больше воздуха, чем в нем может поместиться при нормальной работе. Часть лишнего воздуха используется для продувания цилиндра, когда впускные и выпускные клапаны или окна открыты. Продувочный воздух хорошо очищает цилиндр от отработавших газов, оставшихся от предыдущего цикла, и охлаждает днище поршня, крышку и клапаны, что увеличивает срок службы деталей.

Применение наддува позволяет увеличить удельную мощность двигателя в 1,5-2 раза и больше.

Существует несколько систем наддува двигателей. Наиболее распространен газотурбинный наддув. При газотурбинном наддуве (рис. 10) отработавшие газы из выпускного коллектора направляются в газовую турбину 2, вследствие чего вал турбины начинает вращаться. На одном валу с газовой турбиной установлено рабочее колесо 1 центробежного компрессора.

Агрегат турбина-компрессор называется турбовоздуходувкой, газотурбонагнетателем (ГТН) или турбокомпрессором (ТК).

При вращении рабочего колеса компрессора последний засасывает воздух из атмосферы и под давлением нагнетает его к впускному клапану.

Мощные двухтактные двигатели с наддувом снабжены несколькими газотурбонагнетателями (один ГТН на три-четыре цилиндра). В качестве дополнительных нагнетателей могут быть использованы полости под рабочими поршнями, снабженные клапанами, которые работают как воздушные насосы. Иногда применяют отдельные поршневые насосы, приводимые в движение от шатунов дизеля.

Топливная система. Устройства, обеспечивающие подготовку, подвод и подачу топлива в цилиндры, образуют топливную систему двигателя. Принципиальная схема топливной системы дизеля показана на рис. 11, а.

Топливо принимается на судно через приемный патрубок 5 и заливается по трубе 4 в цистерны 3 основного запаса. Оттуда один раз за вахту топливо забирается насосом 2 (а при его аварии – ручным насосом 1) и подается в расходную цистерну 7, находящуюся в машинном отделении. Уровень топлива в расходной цистерне контролируется по мерному стеклу 8. В случае переполнения цистерны топливо по переливной трубе 6 сливается в цистерну основного запаса. Вода и примеси, осевшие на дне цистерны, периодически спускаются через сливной кран 9.

При работе двигателя топливо из расходной цистерны через фильтр грубой очистки 10 непрерывно забирается топливоподкачивающим насосом 11 и через фильтры тонкой очистки 12 нагнетается под давлением 150-200 кПа (1,5-2 кгс/см²) к топливным насосам высокого давления. Если топливо сильно загрязнено, его пропускают через сепаратор 21, где оно очищается от воды и механических примесей.

Читайте также: Системы топливные, охлаждения, смазки, сжатого воздуха

Каждый насос высокого давления 13 один раз за цикл в нужный момент в требуемом количестве подает порцию топлива под высоким давлением 30-150 МПа (300-1 500 кгс/см²) по трубопроводу высокого давления 15 через щелевой фильтр тонкой очистки 16 и форсунку 17 в свой цилиндр. Топливо, просочившееся через неплотности форсунок и насосов, отводится по трубам 18 в сточную цистерну 19. Излишек топлива, подаваемого топливоподкачивающим насосом, во избежание повышения давления сверх установленного перепускается через перепускной клапан 20 обратно в расходную цистерну. Туда же по трубопроводу 14 направляется отсечное топливо от насосов высокого давления.

Двигатели малых и средних мощностей работают на легких дизельных топливах, мощные тихоходные дизели – на тяжелых моторных. Тяжелые топлива обязательно подвергают сепарации.

Топливные насосы высокого давления выполняются поршневыми. Поршни называются плунжерами или скалками. Плунжер перемещается вниз с помощью пружины, вверх – под воздействием кулачка, как у механизма газораспределения. Обычно у судовых двигателей для каждого цилиндра имеется отдельный насос. У быстроходных и малогабаритных двигателей топливные насосы всех цилиндров могут выполняться в одном корпусе-блоке.

Количество подаваемого в цилиндр топлива необходимо изменять в зависимости от нужного режима работы двигателя (малый, средний, полный ход). Количество топлива, подаваемого в цилиндр, изменяют перепуском части его из надплунжерной обратно в подводящую полость.

В зависимости от того, как осуществляется перепуск топлива, различают насосы клапанного типа (перепуск через клапаны) и золотникового типа (перепуск при помощи плунжера специальной конструкции, играющего роль золотника). Наибольшее распространение получили насосы золотникового типа; схема устройства такого насоса представлена на рис. 11, б. Плунжер 3 совершает возвратно-поступательное движение в плунжерной втулке 8. Над втулкой установлен нагнетательный клапан 5, прижимаемый к седлу 7 пружиной 6. Во втулке имеются два отверстия а, при помощи которых рабочая полость насоса (надплунжерное пространство) сообщается с подводящей полостью.

Помимо подачи топлива, плунжер служит в качестве золотника для регулирования количества подаваемого топлива. С этой целью в верхней части плунжера на боковой поверхности сделано углубление со спиральной отсечкой кромкой в и вертикальным пазом б. При движении плунжера вниз в результате создавшегося в рабочей полости разрежения в нее через окна а поступает топливо. При движении плунжера вверх в первый момент топливо через те же окна будет вытесняться обратно в подводящую полость. С момента, когда окна а будут закрыты торцом плунжера, начнется нагнетание топлива через нагнетательный клапан к форсунке. Нагнетание будет продолжаться до тех пор, пока спиральная канавка в не сравняется с правым (отсечным) окном а. С этого момента топливо из нагнетательной полости по вертикальному пазу вдоль спиральной отсечной кромки будет перетекать через отсечное окно в подводящую полость. Это явление называется отсечкой топлива. Нагнетательный клапан в этот момент закрывается и подача топлива к форсунке прекращается.

Изменение количества подаваемого топлива во время работы двигателя осуществляется поворотом плунжера. Если, например, повернуть плунжер вокруг своей оси вправо, то против отсечного окна окажется верхний участок спиральной кромки и отсечка при движении плунжера вверх наступит раньше; следовательно, к форсунке будет подаваться меньшая порция топлива. При повороте плунжера влево подача топлива к форсунке, наоборот, увеличится.

Для возможности поворота плунжера на плунжерную втулку свободно надета поворотная втулка 2, на верхней части которой установлен зубчатый венец 4; внизу поворотной втулки имеется вырез, в котором размещен поводок 1 плунжера. Зубчатый венец находится в зацеплении с зубчатой рейкой 9.

Зубчатые рейки 9 всех насосов связаны с постом управления двигателем. Их перемещение вызывает поворот зубчатого венца с поворотной втулкой, а следовательно, и поворот плунжера каждого насоса.

Для впрыска топлива в цилиндр в распыленном виде служат форсунки. Форсунка (рис. 11, в) состоит из корпуса 4, к нижней части которого нажимной гайкой 3 притягивается распылитель 1 с иглой 2. Иглу прижимает к гнезду сильная пружина 6, усилие которой передается через толкатель 5. Топливо, подводимое от насоса, через плунжер 9 по вертикальному каналу 10 в корпусе поступает в полость б распылителя под иглой. Давление топлива на коническую поверхность иглы создает силу, направленную вверх. Когда насос создает достаточно большое давление, оно преодолевает усилие пружины и поднимает иглу. При этом топливо, проходя через сопловое отверстие а, с большой скоростью впрыскивается в камеру сгорания. В момент отсечки топлива давление в нагнетательном трубопроводе и в канале 10 резко падает, и игла под действием пружины 6 садится на седло.

Давление начала впрыска регулируют изменением натяжения пружины, для чего служит регулировочный болт 8, фиксируемый контргайкой 7.

Регуляторы частоты вращения. В тихую погоду судно движется с постоянной скоростью, которая обеспечивается постоянной частотой вращения гребного винта. В этом случае вся мощность, вырабатываемая главным двигателем и поступающая на гребной винт, расходуется на преодоление постоянных сил сопротивления движению судна. Практически же силы сопротивления при движении судна на воде часто меняются под воздействием ряда факторов (волнения, ветра, мелководья, оголения винта и т. п.). Вследствие этого при движении судна постоянно наблюдается нарушение равенства между мощностью, вырабатываемой главным двигателем, и силами сопротивления. Например, при резком уменьшении нагрузки на винт (попутная волна, оголение винта) двигатель должен был бы резко увеличить частоту вращения, так как избыточная мощность, которая раньше затрачивалась на вращение гребного винта в воде, была бы израсходована на ускорение вращающихся деталей. И наоборот, при значительном увеличении нагрузки на винт (встречный ветер) частота вращения двигателя должна была бы уменьшиться. Скачкообразное изменение частоты вращения дизеля отрицательно сказалось бы на его работе, а также на работе связанных с ним навешенных механизмов и машин.

Следовательно, главные судовые двигатели необходимо оборудовать специальными устройствами, не допускающими чрезмерного увеличения частоты вращения двигателя в случае неожиданного резкого уменьшения нагрузки и позволяющими поддерживать постоянную частоту вращения двигателя независимо от тех изменений нагрузки, которые испытывает гребной винт. Таким устройством является регулятор. Все современные судовые дизели снабжены регуляторами.

При увеличении частоты вращения коленчатого вала сверх определенного предела регуляторы автоматически (независимо от поста управления) воздействуют на топливные насосы и выключают или снижают подачу топлива. Когда нагрузка на винт резко возрастает и частота вращения двигателя падает, регулятор автоматически увеличивает подачу топлива до такого значения, которое восстанавливает частоту вращения до первоначальной, т. е. Заданной с поста управления.

Регуляторы двигателя, ограничивающие максимальную частоту вращения, называются предельными.

Регуляторы частоты вращения, которые автоматически поддерживают любой скоростной режим, заданный с поста управления двигателем, в интервале «малый ход» – «полный ход», называются всережимными.

Подавляющее большинство регуляторов, устанавливаемых на судовых двигателях, – центробежные.

Схема предельного центробежного регулятора представлена на рис. 12, а.

Вал регулятора с крестовиной 9 приводится во вращение через передачу от коленчатого вала двигателя. На крестовине на осях закреплены грузы 8, выполненные в виде угловых рычагов. Грузы опираются на муфту 10, нагруженную пружиной 7. При повышении частоты вращения сверх установленной грузы под действием центробежной силы расходятся, угловые рычаги поворачиваются вокруг своих осей и, преодолевая сопротивление пружины, поднимают муфту регулятора 10. Муфта регулятора поворачивает рычаг 6, который левым концом надавливает на пружинную связь 2 и передвигает ее влево. Пружинная связь, перемещаясь влево, через рычаг 4 действует на регулирующий орган топливного насоса 3 (зубчатую рейку), который уменьшает подачу топлива.

В результате уменьшения подачи топлива двигатель снижает частоту вращения и центробежная сила грузов уменьшается. Пружина регулятора 7 опускает муфту 10. Рычаг 6 перестает воздействовать на пружинную связь, пружина 5 возвращает пружинную связь в первоначальное положение. Регулирующий орган насоса увеличивает цикловую подачу топлива.

Таким образом, предельный регулятор автоматически включается в действие только тогда, когда частота вращения коленчатого вала двигателя превышает предельно допускаемую, установленную заводом-изготовителем; другими словами, предельный регулятор предохраняет двигатель от «разноса».

В зоне номинальной частоты вращения предельный регулятор не работает. Малый, средний и полный ходы обеспечиваются поворотом рукоятки 1, которая через тягу 11 и пружинную связь 2 непосредственно воздействует на регулирующие органы топливных насосов.

Большинство главных двигателей промысловых судов оборудовано всережимными регуляторами. При наличии всережимного регулятора с поста управления воздействуют непосредственно на него (изменяют натяжение пружины), а регулятор в свою очередь перемещает регулирующие органы топливных насосов. Устройство всережимного регулятора (рис. 12, б) аналогично устройству предельного. Топливные насосы рычагами 3 связаны с соединительной тягой 2, которая концами шарнирно соединена с подвеской 1 и с левым плечом углового рычага 5, другое плечо углового рычага тягой 6 связано с рычагом 7 регулятора. Рычаг 8 тягой 10 соединен с рукояткой управления 11. Регулятор получает вращение от коленчатого вала через коническую передачу 12.

На любом режиме работы устанавливается равновесие между центробежной силой грузов и натяжением пружины 9. Пружина регулятора стремится поставить топливные насосы в положение наибольшей подачи, а центробежные силы грузов препятствуют этому.

Работа регулятора при увеличении частоты вращения сверх номинальной аналогична работе предельного регулятора. Чтобы изменить частоту вращения двигателя с поста управления (дать малый или полный ход), необходимо рукояткой 11, изменить натяжение пружины. Для увеличения частоты вращения двигателя рукоятку 11 поворотом по часовой стрелке устанавливают в новое положение. При этом пружина регулятора сжимается и несколько опускается, что приводит к сближению грузов и установке топливных насосов на увеличенную подачу топлива. Последнее вызывает повышение частоты вращения дизеля. Для уменьшения частоты вращения дизеля поворотом рукоятки 11 против часовой стрелки ослабляют натяжение пружины 9. В результате центробежная сила грузов оказывается больше силы натяжения пружины, грузы расходятся, устанавливая топливные насосы на уменьшенную подачу топлива; частота вращения дизеля снижается.

Система охлаждения. Система охлаждения предназначена для отвода теплоты от деталей двигателя, испытывающих действие высоких температур, которые возникают при сгорании топлива, а также в результате трения движущихся частей.

Чтобы предохранить детали от перегревания, которое может вызвать заедание трущихся поверхностей и их повреждение, необходимо отводить часть теплоты. Отвод теплоты от нагретых деталей двигателя приводит к потере тепловой энергии, однако он необходим для того, чтобы обеспечить работу двигателя. Количество этой вынужденной потери теплоты, которая уносится с охлаждающей водой, в среднем составляет около 30 % всей теплоты, выделившейся при сгорании топлива.

Водой охлаждаются втулки и крышки цилиндров, выпускные коллекторы (у дизелей без наддува), корпусы газотурбонагнетателей. В систему охлаждения включают также холодильники для охлаждения смазочного масла и наддувочного воздуха. Кроме того, двигатели большой мощности имеют автономные системы охлаждения поршней и форсунок, причем поршни чаще всего охлаждаются маслом, а форсунки – топливом.

В судовых двигателях внутреннего сгорания применяют две системы водяного охлаждения:

• проточную;
• и замкнутую.

При проточной системе вода поступает из-за борта в кингстоны и проходит через фильтры к насосу охлаждения, который прокачивает ее через полости охлаждаемых деталей двигателя, откуда она сливается за борт. Проточная система охлаждения проста и удобна в обслуживании, но вызывает ряд существенных осложнений:

• разъедание и засорение зарубашечного пространства;
• невозможность поддержания наивыгоднейших температур воды на входе и выходе из двигателя и др..

В связи с недостатками проточной системы охлаждения во всех современных главных двигателях применяют замкнутую систему. В этой системе используют пресную воду, непосредственно циркулирующую в охлаждаемых полостях двигателя по замкнутому контуру и в свою очередь охлаждаемую проточной забортной водой в холодильнике.

Схема системы замкнутого охлаждения малооборотного дизеля фирмы Бурмейстер и Вайн показана на рис. 13.

Центробежный насос 2 с электроприводом по трубопроводу 11 отсасывает пресную воду из двигателя и нагнетает ее в водяной холодильник 3. Из холодильника охлажденная вода по трубопроводу 1 поступает в зарубашечное пространство блока, охлаждает цилиндровые втулки и по обводным патрубкам 12 поступает в зарубашечные полости крышек цилиндров. Из них вода поступает в охлаждающие полости корпусов выпускных клапанов, откуда по переливным патрубкам 8 – в сборный водяной коллектор 9.

В шахте машинного отделения установлен расширительный бак 7, соединенный с системой охлаждения трубой 10. Он служит для создания подпора в системе, а также для пополнения воды в случае ее утечки.

Пресная вода в холодильнике 3 охлаждается забортной водой, которая по трубопроводам 4 прокачивается автономным насосом. Заданная постоянная температура воды в системе поддерживается автоматическим терморегулятором 5. Терморегулятор – это клапан, который в зависимости от своего положения пропускает воду в холодильник или мимо него, либо частично в обоих направлениях. Положением клапана управляет чувствительный элемент-термобаллон 6, который представляет собой небольшой сосуд, заполненный легкоиспаряющейся жидкостью и помещенный в поток воды, входящей в двигатель.

Система смазки. Система смазки служит для подвода масла к трущимся деталям двигателя. У судовых двигателей в основном используется циркуляционная система смазки. При этой системе масло прокачивается насосом через все подшипники и узловые сочленения, затем оно стекает в картерное пространство, а оттуда вновь подается к узлам трения.

Втулки цилиндров, поршни, а иногда и поршневые пальцы в небольших двигателях смазываются разбрызгиванием, т. е. тем маслом, которое вытекает из зазоров рамовых и мотылевых подшипников и разбрызгивается вращающимися кривошипами в картере. В двигателях средних и больших мощностей втулки и поршни смазываются принудительно маслом, подаваемым под высоким давлением от специальных многоплунжерных насосов-лубрикаторов.

Схема циркуляционной смазки двигателя средней мощности приведена на рис. 14.

Масло, стекающее из кольцевых зазоров подшипников и поршней, собирается в картере 1 двигателя, откуда самотеком попадает в циркуляционную цистерну 2. Из нее горячее и загрязненное масло засасывается навешенным шестеренным насосом 4 и подается через кран 5 и сдвоенные фильтры 6 в масляный холодильник 7. Фильтры служат для очистки масла от примесей, а холодильник – для охлаждения масла, нагревшегося при смазке трущихся поверхностей. Из холодильника, который охлаждается водой, масло поступает к центральному распределительному трубопроводу 10 с ответвлениями 12. По ответвлениям масло подводится к рамовым подшипникам, откуда по сверлениям в коленчатом вале 11 – к мотылевым подшипникам и далее по сверлениям в шатунах – к поршневым пальцам. От распределительного трубопровода посредством специального трубопровода 8 масло подается к подшипникам распределительного вала 9.

После смазки трущихся деталей масло стекает в картер. Для прокачивания масла через систему перед пуском двигателя предусмотрен ручной поршневой насос 3. Постоянство давления в системе во время работы двигателя обеспечивается редукционным клапаном 13, который при повышении давления перепускает часть масла из магистрали в картер.

Пусковое устройство. Для пуска Обслуживание деталей судового двигателя внутреннего сгораниядвигателя внутреннего сгорания необходимо провернуть коленчатый вал, чтобы поршни, перемещаясь, обеспечивали наполнение и сжатие воздуха в цилиндрах, т. е. чтобы были созданы условия для первых вспышек. Для проворачивания коленчатого вала от какого-то внешнего источника энергии двигатели оборудуют специальными пусковыми устройствами. Двигатели малой мощности могут запускаться вручную пусковой рукояткой или стартером, который представляет собой электродвигатель, работающий от аккумуляторной батареи. На оси электродвигателя установлена шестерня, которая в период пуска входит в зацепление с зубчатым венцом маховика.

Большинство судовых дизелей оборудовано устройствами для запуска двигателя сжатым воздухом. Воздух, подаваемый в систему пуска, сжимается в компрессорах – воздушных насосах поршневого типа. Компрессоры имеют привод от главного двигателя или автономный привод от электродвигателя.

Воздух, сжатый в компрессоре, хранится в цилиндрических стальных баллонах. Обычно для запуска судовых дизеле воздух сжимают до давления 2-3 МПа (20-30 кгс/см²). Общую емкость баллонов рассчитывают так, чтобы запас воздуха в них был достаточен для двенадцати последовательных пусков и реверсов холодного двигателя.

Пусковой воздух попадает в цилиндры двигателя во время пуска через пусковые клапаны, установленные на крышках цилиндров. Двигатели большой и средней мощности снабжены пусковыми клапанами с пневматическим управлением. Открываются такие клапаны сжатым воздухом, который подается к ним от индивидуальных распределительных золотников или воздухораспределителей.

Вспомогательные двигатели малой мощности имеют автоматически открывающиеся пусковые клапаны, которые служат в основном для разобщения полостей цилиндров с пусковой системой. Распределение воздуха по цилиндрам и своевременная его подача осуществляются в этом случае воздухораспределителем. Пусковой воздух в цилиндр должен подаваться в строго определенный момент, т. е. тогда, когда поршень, перейдя ВМТ, находится еще вблизи от нее и продолжает поступать в цилиндр на протяжении всего рабочего хода.

Следует помнить, что четырехтактные двигатели с числом цилиндров менее шестик и двухтактные с числом цилиндров менее четырех не могут запускаться сжатым воздухом из любого положения. Перед пуском их следует проворачивать для установки одного из кривошипов в пусковое положение (по метке на маховике).

Пусковое устройство главного дизеля сжатым воздухом схематически изображено на рис. 15.

В крышке каждого цилиндра установлен пусковой клапан 1; каждый клапан управляется своим пусковым золотником 13. Золотники приводятся в движение кулачками 14, установленными на распределительном валу 12. Для разобщения пусковой системы с баллоном сжатого воздуха 15 предусмотрен маневровый клапан 3. Управление маневровым клапаном осуществляется маневровым золотником 5, на который воздействуют пусковой рукояткой 4.

Во время пуска двигателя открывают баллон, и пусковую рукоятку устанавливают в положение «Пуск» (как показано на схеме). Маневровый золотник занимает верхнее положение и стравливает воздух из полости под конусом маневрового клапана. Маневровый клапан открывается, и сжатый воздух из баллона по трубопроводу 9 поступает в главную пусковую магистраль 2 и оттуда – ко всем пусковым клапанам 1, а по трубопроводам 8 – ко всем пусковым золотникам 13. Даже когда воздух подойдет к пусковым клапанам, они остаются закрытыми. Силой своего давления воздух открыть клапан не может, так как этому препятствуют пружина 7 и давление самого воздуха, которое действует снизу на поршенек 6, насаженный на шток клапана. Наоборот, воздух будет прижимать тарелку клапана к гнезду, так как площадь поршенька больше площади тарелки клапана. Поступая к золотникам, воздух стремится отжать их вниз, но этому препятствуют кулачки 14; только у одного цилиндра кулачок не будет препятствовать движению золотника (как показано на схеме). Золотник, опустившись, соединит трубопровод 8 с трубопроводом 10, в результате чего сжатый воздух будет давить на поршень 6, и пусковой клапан, преодолев сопротивление пружины, откроется.

Воздух из главной магистрали через открытый пусковой клапан поступает в цилиндр и давит на поршень; коленчатый вал начинает вращаться. Вращается также распределительный вал; теперь кулачок другого цилиндра дает возможность золотнику опуститься и открывается следующий пусковой клапан. Кулачок первого цилиндра, поворачиваясь, поставит золотник в верхнее положение, в результате чего соединятся трубопроводы 10 и 11. Воздух из полости над поршеньком 6 стравится в атмосферу и пусковой клапан закроется. В результате поочередной подачи воздуха в цилиндры коленчатый вал раскручивается до частоты вращения, примерно равной 1/3 номинальной. В этот момент пусковую рукоятку ставят в положение «Работа». При этом в цилиндры подается топливо, маневровый клапан закрывается, пусковое устройство прекращает действие и двигатель начинает работать на топливе.

Для пополнения баллонов сжатым воздухом предусмотрен компрессор 16 с электроприводом.

Реверсивное устройство. Для осуществления переднего и заднего хода судна необходимо изменять направление вращения гребного винта с помощью реверсивных устройств. Это можно сделать различными способами:

• изменением направления вращения коленчатого вала двигателя (реверсивные двигатели);
• изменением направления вращения гребного вала реверсивной передачей (реверсивные муфты, реверсредукторы);
• поворотом лопастей винта с помощью специального привода.

Главные судовые двигатели мощностью 300 э. л. с. и более делают реверсивными.

Чтобы коленчатый вал двигателя вращался в обратную сторону, необходимо изменить моменты подачи топлива в цилиндры, моменты подачи пускового воздуха, а для четырехтактных двигателей – моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. Управление подачей топлива, пускового воздуха и клапанами газораспределения осуществляется при помощи кулачковых шайб. Следовательно, чтобы изменить все перечисленные моменты, необходимо для каждого толкателя иметь отдельные кулачковые шайбы, заклиненные на распределительном валу под различным углом, или поворачивать распределительный вал с кулачковыми шайбами при неподвижном коленчатом вале.

Наибольшее распространение получило реверсивное устройство с двойным комплектом кулачковых шайб и осевым перемещением распределительного вала (рис. 16).

На распределительном валу против каждого толкателя жестко посажено по две кулачковые шайбы:

• 1 – переднего хода;
• и 2 – заднего хода.

В каждой паре шайбы смещены одна относительно другой на определенный угол.

При реверсе поршень сервомотора 7, перемещаясь, приводит в движение зубчатую рейку 6, которая вращает шестерню 5, вследствие чего поворачивается коленчатый валик 3 и ролик 4 толкателя приподнимается над кулачковой шайбой переднего хода. В это время под воздействием кулачка 8 перемещается распределительный вал. Когда перемещение распределительного вала закончится, коленчатый валик упускает ролик 4 на кулачковую шайбу заднего хода.

На ряде двигателей механизм отвода толкателей отсутствует. При осевом перемещении распределительного вала ролики скользят по поверхностям кулачковых шайб. Чтобы ролики не упирались в края шайб, между шайбами сделан плавный переход.

Реверсивный механизм согласно Правилам Регистра России должен изменять направление вращения коленчатого вала в течение не более 12 с с момента получения приказа по машинному телеграфу. За это время должны быть осуществлены следующие операции:

• остановка двигателя выключением подачи топлива;
• изменение моментов подачи пускового воздуха топлива и газораспределения (у четырехтактных двигателей);
• пуск двигателя сжатым воздухом;
• перевод его на топливо.

Все эти операции должны выполняться в строгой последовательности. Во избежание поломки деталей, т. е. для обеспечения того, чтобы каждая последующая операция проводилась только после полного завершения предыдущей, реверсивный механизм снабжают так называемым блокировочным устройством.

Судовые двигатели небольшой мощности строят нереверсивными, поэтому для обеспечения заднего хода судна они оборудованы реверсивно-разобщительными муфтами. Муфта состоит из двух узлов:

• разобщительной муфты, которая служит для разобщения коленчатого вала двигателя и гребного вала;
• и реверсивного механизма.

Частоту вращения коленчатого вала реверсивно-разобщительная муфта не уменьшает.

Если в качестве главного на судне установлен быстроходный двигатель, то при передаче на гребной винт его полной частоты вращения коэффициент полезного действия винта резко уменьшается. Поэтому быстроходные двигатели снабжают устройствами, позволяющими не только изменять направление вращения гребного вала, но и уменьшать его частоту вращения. Такие устройства называются реверсредукторами. В них так же, как в реверсивно-разобщительных муфтах, реверсивное устройство комбинируется с разобщительными.

В зависимости от типа управления реверсредукторы могут быть с ручным механическим и с гидравлическим управлением. Реверсредуктор с ручным механическим управлением приведен на рис. 17.

Коленчатый вал 1 двигателя соединен с барабаном 2, в вырезах которого может перемещаться в осевом направлении диск включения 4; положение переустанавливают при помощи рычага 6 через муфту переключения 7. По обе стороны от диска включения 4 расположены диски 3 и 5, из которых первый заклинен на валу заднего хода 11, а второй соединен с пустотелым валом 8 переднего хода. С пустотелым валом 8 жестко соединена шестерня 9, а на валу 11 сидит на шпонке шестерня 10. Эти шестерни в свою очередь находятся в постоянном зацеплении с шестернями 14 и 13, закрепленными на ведомом валу 15. Шестерни 10 и 13 соединены через паразитную шестерню 12. Шестерни 9, 14, 10 и 13 не только придают валу 15 нужное направление вращения, но и уменьшают частоту его вращения, а следовательно, частоту вращения гребного вала судна.

Реверсредуктор работает следующим образом. Когда диск включения 4 находится в среднем положении, между ним и дисками 3 и 5 создаются зазоры. Коленчатый вал вращается вместе с барабаном 2 и диском включения 4. Оба вала (переднего и заднего хода) неподвижны; следовательно, движение на гребной вал не передается. При перемещении вправо диск включения 4 сцепляется с диском 5, который, вращаясь, приводит во вращение пустотелый вал 8 и шестерню 9. Последняя вращает шестерню 14 и ведомый вал. Такое положение механизма реверсредуктора соответствует переднему ходу судна. При перемещении влево диск включения 4 входит в зацепление с диском 3. Вал 11 вращается и через шестерни 10 и 12 передает вращение шестерне 13, а через нее – ведомому валу 15. Благодаря паразитной шестерне 12 направление вращения вала 15 сохраняется таким же, как у вала 11, т. е. обратным вращению шестерни 14 при переднем ходе судна. Этим достигается задний ход судна.

Поскольку число зубьев у шестерен 9 и 10 несколько меньше, чем у шестерен 14 и 13, частота вращения гребного вала также меньше частоты вращения коленчатого вала, что позволяет более эффективно использовать гребной винт.

Механизмы отбора мощности. Главные двигатели малотоннажных промысловых судов имеют дополнительные устройства для отбора мощности на промысловые механизмы:

• лебедки;
• шпили;
• сетеподъемные машины.

Мощность, отдаваемая двигателем промысловым механизмам, не должна превышать 20-25 % номинальной мощности двигателя, так как во время работы промысловых механизмов судно должно иметь возможность маневрировать на малом ходу. Отбор мощности от главных судовых двигателей осуществляется в основном с переднего конца коленчатого вала.

Существуют различные схемы приводов к промысловым механизмам. На некоторых судах отбор мощности от главного двигателя осуществляется при помощи валогенераторов. Валогенератор приводится через ременную или какую-либо другую передачу от валопровода или также от переднего конца коленчатого вала.

Автор статьи

Виктор Свиридов

Судовой механик

Список литературы

1. Абдульманов X. А. Холодильная техника на судах рыбной промышленности. М., «Пищевая промышленность», 1970.
2. Акимов П. П. Силовые установки морских судов. М., «Транспорт», 1965.
3. Алексеев Г. Д., Карпович В. А. Энергетические установки промысловых судов. Л., «Судостроение», 1972.
4. Аристов Ю. К. Судовые вспомогательные механизмы. М., «Речной транспорт», 1959.
5. Богомольный А. Е. Судовые вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Л., «Судостроение», 1971.
6. Грузберг Я. Ю. Судовые паровые котлы. Л., «Судостроение», 1964,
7. Караев А. А. Энергетика судов будущего. Л., «Судостроение», 1967.
8. Карамушко Ф. Д. и др. Судовые вспомогательные механизмы и системы. М., «Транспорт», 1968.
9. Колесников О. Г. Судовые вспомогательные и холодильные установки. М., «Транспорт», 1967.
10. Конфедератов И. Я. Основы энергетики. М., «Просвещение», 1967.
11. Коршунов Л. П. Силовые установки рыбопромысловых судов. М., «Пищевая промышленность», 1967.
12. Кузовлев В. А. Техническая термодинамика. М., «Транспорт», 1964.
13. Петренко Л. Д. и др. Судовые энергетические установки, вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Л., «Судостроение», 1971.
14. Соловьев Е. М. Пособие мотористу рыбопромыслового судна. М., «Пищевая промышленность», 1966.
15. Соловьев Е. М. Пособие мотористу крупнотоннажного судна рыбопромыслового флота. М., «Пищевая промышленность», 1971.
16. Туркин А. А. Вспомогательные механизмы и технологические холодильные установки промысловых судов. Л., «Судостроение», 1966.