Конструкции цилиндропоршневой группы и механизма газораспределения

Цилиндропоршневая группа ДВС, конструктивно являясь составной и неотъемлемой частью кривошипно-шатунного механизма, формирует рабочий объем двигателя, обеспечивает протекание внутрицилиндровых процессов и, в частности, преобразует энергию рабочего тела в механическую работу за счет движения поршня. Цилиндропоршневая группа состоит из цилиндровой гильзы (цилиндра), поршня, компрессионных и маслосъемных колец, поршневого пальца и его стопоров. Поскольку о конструкции цилиндра и гильзы цилиндра говорилось ранее, при описании остова двигателя, рассмотрим оставшиеся детали и начнем с поршня.

Поршень, рис. 8.1, является подвижной частью стенки цилиндра, его верхняя поверхность – огневое днище – формирует камеру сгорания двигателя. Являясь подвижным элементом, поршень должен обеспечивать, во-первых, уплотнение цилиндра и, во-вторых, компенсировать действие нормальной силы – реакцию опоры на зеркало цилиндра. Поэтому функционально поршень состоит из верхней части – днища или головки поршня, на которой размещаются лабиринтное уплотнение в виде поршневых колец и из нижней – тронка или юбки, которая является направляющей и воспринимает действие нормальной силы.

Рис. 8.1. Поршень современного дизельного двигателя

Поршень современного двигателя изготавливается, в основном из алюминиевых сплавов с большим содержанием кремния типа АЛ – 25. Заготовки поршней изготавливаются методом литья под давлением или жидкой штамповки, которая обеспечивает требуемую прочность, а материал, обладая низким коэффициентом термического расширения, позволяет задавать минимальные зазоры между тронком поршня и гильзой. На малоразмерных ВОД поршни делаются цельными, когда верхняя часть поршня, на которой располагаются поршневые кольца и нижняя часть изготовлены из единой заготовки. Для крупных высокофорсированных дизелей в силу большой теплонапряженности деталей, поршни делают составными, в которых верхняя часть изготавливается из жаропрочных сталей, способных выдерживать высокие температуры камеры сгорания. Хорошим литейным материалом для изготовления поршней является чугун, который, обладая высокими прочностными характеристиками, обеспечивает достойные антифрикционные свойства в паре трения поршень – гильза.

В малоразмерных двигателях умеренной форсировки теплоотвод от поршня, равно как и его смазка, происходит за счет масляного тумана, образующегося от стекающего и разбрызгиваемого из подшипников коленвала масла. Для улучшения теплосъема с поршней в форсированных дизелях с диаметром цилиндра более 100 мм используется принудительное охлаждение днища. Для этого в основной масляной магистрали устанавливаются масляные форсунки, которые подают масло на внутреннюю часть днища поршня. Возможна конструкция, когда масло на смазку – охлаждение поршней подается импульсами в определенные моменты через сопловое отверстие в нижней головке шатуна в момент совмещение отверстия масляного канала шатунной шейки с сопловым отверстием. В тех конструкциях высокофорсированных двигателей, когда вышеизложенные способы охлаждения оказываются не эффективными, используется барботажное охлаждение поршня. В днище поршня организуется внутренний кольцевой канал – масляная галерея – он может быть сформирован проточками в деталях составного поршня, а может быть отформован в отливке для цельного поршня. В масляную галерею масло может подаваться как через уже упомянутые форсунки, так и через верхнюю головку шатуна посредством специальной шарнирной конструкции. Канал масляной галереи снабжен отверстиями для стока подаваемого масла, причем слив организован так, что канал никогда не заполняется полностью, что собственно и обеспечивает интенсификацию теплоотвода за счет взбалтывания масла под действием знакопеременных сил инерции КШМ.

Поскольку поршень, как отмечалось ранее, является подвижной стенкой камеры сгорания, то огневое днище поршня имеет вид специальной лекальной формы, в соответствии с требуемой формой камеры сгорания для реализуемого в данном двигателе способе смесеобразования и сгорания. Кроме того, на поверхности огневого днища могут изготавливаться выемки под клапана механизма газораспределения, а также специальные глухие отверстия (возможно и резьбовые), необходимые для демонтажа поршня из цилиндра двигателя при проведении ремонтных мероприятий.

На боковой поверхности цилиндра верхней части поршня протачивают канавки под поршневые кольца. Форма канавок и их количество определено конструктором в зависимости от количества и формы колец.

Тронк поршня изготавливают с диаметром несколько большим, нежели диаметр места установки поршневых колец, при этом тронк поршня делается по копиру и имеет овально-бочкообразную форму. Такая сложная геометрия поршня предопределяется тепловыми деформациями поршня при достижении рабочих параметров двигателя. Так как теплоотвод в поршне происходит от огневого днища, то нижняя часть тронка имеет температуру более низкую, чем температура в зоне под поршневыми кольцами, т.е. имеет наименьшее тепловое расширение, а, следовательно, наибольший диаметр. Таким образом, определяется бочкообразность образующей поршня. В отливке поршня предусматриваются места для расточки посадки поршневого пальца (бобышки), и в этом месте поршень имеет утолщение. Неравномерность распределения материала, естественно провоцирует искажение геометрии детали при ее нагреве, поэтому места, где располагаются бобышки в поршне, занижают относительно основного диаметра тронка. Таким образом, определяется овальная форма тронка. В некоторых конструкциях высокофорсированных ВОД в отливку вводят специальные армирующие вставки из сплава, обладающего очень низким коэффициентом термического расширения (инваровые вставки). Эти вставки размещают в зоне перехода головки поршня в тронк около бобышек. Такая конструкция поршня позволяет минимизировать деформацию поршня от неравномерного нагрева в процессе работы двигателя. Кроме того, в подавляющем большинстве конструкций цельного поршня заливается кольцевая вставка из высоколегированного чугуна в месте проточки канавки под первое компрессионное кольцо, поскольку это место является самым тяжелонагруженным и изнашиваемым, ввиду специфики работы компрессионных колец, о которой разговор пойдет далее.

Расточка отверстия под поршневой палец в бобышках поршня производится с высокой точностью по переходной посадке или с небольшим зазором (порядка 0.02 мм) поэтому для установки поршневого пальца в расточку бобышек требуется нагрев поршня, обычно до температуры 80…120 ^оС, для появления зазора в соединении. При нагреве поршня в процессе работы в соединении поршень-палец появляется зазор, и палец обретает подвижность, такая конструкция узла называется с плавающим пальцем, альтернативой которой является уже упомянутая ранее конструкция с прессованным в шатун пальцем, в которой в сопряжении поршня с пальцем делается гарантированный зазор. Не смотря на простоту конструкции узла с прессованным пальцем, на дизелях она применима чрезвычайно редко ввиду одностороннего неравномерного износа пальца и, как следствие, малого ресурса в условиях дизельного двигателя. В конструкции узла с плавающим пальцем предусматривается ограничение осевого перемещения пальца в расточке бобышек. Для этого делаются проточки под установку стопорных колец или в отверстие бобышек устанавливаются заглушки.

Поверхность контакта тронка с зеркалом цилиндра имеет специальную обработку, обеспечивающую быструю и безаварийную прирабатываемость поршня. Это может быть гальваническое покрытие, напыление покрытия на основе графита и дисульфида молибдена, обработка, имеющая специальный микропрофиль и т.д.

Конструкция поршня крейцкопфного двигателя отлична от поршня тронкового двигателя. В связи с тем, что поршень крейцкопфного двигателя не воспринимает действие нормальной силы реакции опоры на цилиндр (эту силу воспринимает отдельный механизм), конструкция такого поршня не предусматривает наличие тронка. В этом случае поршень представляет собой оправку для установки поршневых колец, соединенную жестким штоком с башмаком крейцкопфного механизма.

Для уплотнения цилиндра поршневого ДВС используется лабиринтное уплотнение, состоящее из набора компрессионных колец, устанавливаемых в проточки верхней части поршня. Для обеспечения съема масла с поверхности зеркала цилиндра и для уменьшения количества масла, проникающего в камеру сгорания, определяющего расход масла на угар, за компрессионными кольцами устанавливаются маслосъемные кольца.

Количество поршневых колец определяется конструкцией ЦПГ и может составлять от 2 компрессионных и 1 маслосъемного кольца и более в различных комбинациях. При своей кажущейся простоте, конструкция кольца чрезвычайно сложна. Для обеспечения возможности монтажа, кольца изготавливаются разрезными со стыком. Компрессионное кольцо изготавливают таким образом, чтобы оно обладало собственной жесткостью, благодаря чему кольцо оказывает давление на стенку цилиндра, чем обеспечивает в статике полное прилегание торцевой поверхности к поверхности зеркала цилиндра и, следовательно, обеспечивало уплотнение цилиндра. При этом эпюра сил, действующих на зеркало цилиндра, за счет специальной эпюрной обработки (этот эффект может быть достигнут за счет термообработки – термофиксации) намеренно создается не равномерной, а имеющей максимумы у стыка кольца. При нормальной работе кольца, давление газов, развиваемое в цилиндре, передается на кольцо и формирует эпюру действия газовых сил. Давление газа действует на кольцо со стороны камеры сгорания и, во-первых, прижимает его с силой, эквивалентной разности давления над и под кольцом, к поршневой канавке, чем собственно и обеспечивается уплотнение лабиринта. Во-вторых, в связи с тем, что радиальная толщина кольца всегда меньше глубины канавки в поршне, давление газа оказывает воздействие на внутреннюю поверхность кольца, которое за счет этого дополнительно прижимается к зеркалу цилиндра. Очевидно, что сила собственной упругости кольца суммируется с действием газовых сил. При этом эпюра действия газовых сил оказывается неравномерной, с минимумами в стыке, поскольку через зазор в стыке кольца происходит утечка газа. Зазор в стыке называют тепловым зазором, он позволяет кольцу удлиняться при нагреве и обеспечивает постоянную подвижность кольца и безаварийную работу уплотнения. Теперь становится понятной причина, по которой статическая эпюра сил собственной жесткости кольца изготавливается с уже упомянутыми максимумами. Нужно иметь ввиду, что при создании равномерной нагрузки кольца на зеркало цилиндра обеспечивается равномерный износ кольца и, как следствие, достигается наибольший ресурс работы колец.

Поршневые кольца изготавливаются из специального чугуна, редко - из стали. Чугунная заготовка, из которой изготавливаются кольца, не должна содержать пор, поэтому используется либо метод центробежного литья, либо так называемый метод наморозки. Для улучшения ресурсных показателей работы кольца, его поверхность может покрываться хромом (в основном верхние компрессионные и маслосъемные), а для лучшей прирабатываемости на рабочую поверхность колец иногда наносится тонкий слой олова. В современных ДВС часто используются компрессионные кольца с металлокерамическим напылением рабочей поверхности, которое обеспечивает высокую износостойкость и низкий коэффициент трения поверхностей.

Стык кольца может выполняться прямым или ступенчатым, что создает дополнительный лабиринт в уплотнении. Существует достаточно большое количество конструкций колец, выбор из которых выполняет конструктор двигателя. Самые простые в изготовлении компрессионные кольца - прямые (в сечении прямоугольник), однако большие ресурсы и лучшее уплотнение показывают трапециевидные кольца (в сечении – трапеция, равнобедренная или прямоугольная). Для того чтобы второе и последующие компрессионные кольца выполняли дополнительно функцию маслосъема, его изготавливают со скребком, возможна конструкция, когда кольцо при работе изгибается за счет изготовления внутренней односторонней фаски. С аналогичными целями часто используются так называемые минутные кольца, у которых рабочая поверхность скошена на конус с очень малым углом при вершине.

Основной съем масла с поверхности зеркала цилиндра производят специальные маслосъемные кольца, которые располагаются в поршневых канавках ниже компрессионных колец. Маслосъемные кольца могут быть цельной коробчатой конструкции, а могут быть составными, состоящими из двух и более элементов. Самая простая и распространенная конструкция маслосъемного кольца – коробчатая, которая имеет две скребковые части, между которыми выполняется проточка. По всей проточке с определенным шагом выфрезерованы сквозные сегменты для стока масла из пространства между скребками. Канавки под установку маслосъемных колец в поршне имеют ряд сверлений, выходящих во внутреннюю часть поршня (подпоршневое пространство цилиндра) для удаления снятого кольцом масла. При наличии обязательной глубокой проточки и сквозных фрезеровок, конструкция кольца теряет жесткость и может не обеспечить полное прилегание к поверхности цилиндра. В конструкции составного маслосъемного кольца такой недостаток устраняется за счет установки пружинного экспандера. Для этого собственную жесткость кольца максимально понижают, создавая полусферическую выборку с внутренней стороны кольца под установку экспандера. После монтажа в цилиндр, экспандер, находясь в сжатом состоянии, оказывает давление на кольцо, равномерно прижимая его к зеркалу цилиндра. Кроме описанных выше основных и самых распространенных конструкций маслосъемных колец существуют другие, которые называют наборными. Такие кольца состоят из двух тонких (более 1мм) стальных колец и одного или двух экспандеров. Экспандеры наборных колец одновременно прижимают тонкие кольца к торцевым поверхностям канавки в поршне и отжимают их к зеркалу цилиндра. Экспандеры представляют собой волнистые профили, изготовленные из пружинной стали, замки которых устанавливаются «в стык». Такие конструкции маслосъемных колец в основном находят применение в малоразмерных ВОД.

При установке поршня с установленными кольцами в цилиндр, стыки колец должны быть разведены, т.е. находится на разных образующих цилиндра поршня. Порядок разводки поршневых колец указывается в инструкциях по монтажу или, при отсутствии таковой, стыки колец разводятся на равные углы.

Теперь об особенностях установки колец в двухтактных двигателях. В то время как поршневые кольца в четырехтактном двигателе имеют некоторый дрейф и поэтому не проявляют склонность к потере подвижности или, так называемому «зависанию», в двухтактном двигателе все обстоит намного хуже. А именно, как мы уже знаем, в нижней части гильзы двухтактного двигателя размещаются продувочные окна, поэтому кольцо должно быть строго ориентировано таким образом, чтобы тепловой зазор – стык кольца не в коем случае не попал на окно, что вызовет деформацию кольца и его поломку при задевании о кромку окна. Для этого в поршневой канавке устанавливают стопор, который препятствует дрейфу кольца и поэтому кольцо, имея малую подвижность, склонно к зависанию.

Поршень шарнирно соединяется с шатуном в ВГШ посредством поршневого пальца. Поршневой палец передает на шатун действие газовой силы и является тяжелонагруженной деталью ДВС. Поскольку силы, возникающие в пальце – изгибающие, он выполняется в форме полого цилиндра. Материалом для поршневого пальца служат низколегированные, малоуглеродистые стали, которые могут быть подвергнуты поверхностной термохимической обработке с целью создания твердой износостойкой рабочей поверхности при сохранении мягкого и вязкого тела пальца. Рабочая поверхность пальца обрабатывается шлифованием с высокой точностью и чистотой поверхности. В серийном и массовом производстве двигателей сборка узла выполняется селективно.

Конструкция поршневого пальца определяется способом подвода смазки к узлам подшипников скольжения в поршне и ВГШ. Если смазка подшипников производится масляным туманом, то палец будет представлен в виде цилиндра с внутренним отверстием. Такая же конструкция будет использоваться в случае подвода смазки во втулку ВГШ принудительно через тело шатуна, в то время как смазка бобышек поршня осуществляется масляным туманом. Если же требуется производить смазку бобышек поршня под давлением, тогда втулка ВГШ имеет кольцевую проточку в зоне выхода масляного канала из тела шатуна, а палец имеет сверление (одно или несколько) напротив канавки с выходом во внутреннее отверстие. Также сверления в пальце делается в зоне контакта с бобышками поршня, а во внутренне отверстие пальца устанавливают торцевые заглушки. Таким образом, смазка под давлением из шатунного подшипника поступает по телу шатуна во втулку ВГШ, а затем, по отверстиям пальца к бобышкам поршня. Для уменьшения количества масла, находящегося во внутреннем отверстии поршневого пальца и, тем самым, уменьшения массы движущихся деталей и силы инерции возвратно- поступательно движущихся масс, в палец прессуется тонкостенная втулка в форме катушки, образующая кольцевую масляную полость.

Рассмотрим конструкцию газораспределительного механизма (ГРМ) четырехтактного ДВС. Механизм газораспределения четырехтактного двигателя состоит из кулачкового распределительного вала механизма газораспределения (распредвала) с подшипниками распредвала и механизмом привода, клапанов (впускных и выпускных), клапанных пружин с опорными тарелками и элементами стопорения, системы регулирования теплового зазора и деталей привода клапанов, которые передают движение от кулачков распредвала к клапанам.

Распределительный вал ГРМ, показанный на рис. 8.2. это набор кулачков, размещенных в строго определенном положении, в соответствии с требуемыми фазами газораспределения и последовательностью работы цилиндров.

Рис. 8.2. Распределительный вал механизма газораспределения

четырехтактного четырехцилиндрового двигателя

Так же, как и коленчатый вал, распределительный вал вращается в подшипниках скольжения, поэтому в определенных местах распредвала расположены опоры – шейки, которые устанавливаются в отверстия подшипника скольжения, расположенных в остове двигателя. При этом различают две конструкции двигателя по признаку расположения распредвала: если распределительный вал размещен в блоке цилиндров, то двигатель называют «с нижним распредвалом», если же вал ГРМ размещают в головке блока цилиндров или в деталях, расположенных на ней, то такие двигатели называются «с верхним распредвалом».

Привод распредвала выполняет функцию синхронизации вращения коленчатого и распределительного вала. На всех деталях привода установлены отметки и ориентирующие элементы, обеспечивающие сборку всего механизма только в одном положении с сохранением требуемых фаз газораспределения двигателя. Наиболее характерными способами передачи движения от коленвала к распредвалу являются: для двигателя с нижним расположением распредвала – шестеренный, с паразитною шестерней или без нее. Иногда для малоразмерных ВОД используют цепной привод. Для двигателя с верхним распредвалом используется три вида приводов – через валы и конические шестерни, цепной и с синхронизирующим зубчатым ремнем (последних два можно встретить только в малоразмерных высокооборотных двигателях). При использовании любого способа передачи вращения, основным требованием является обеспечение синхронности и сохранения передаточного отношения (не забываем, что распредвал вращается в два раза медленнее, чем коленчатый вал четырехтактного двигателя). Строгая ориентация элементов привода называется фазировкой двигателя. Не выполнение правил фазировки двигателя, равно как и нарушение ее в процессе работы моментально влечет за собой серьезную поломку двигателя в виде встречи поршня с открытыми клапанами, происходит поломка привода или изгиб клапана (возможны более серьезные поломки), цилиндры теряют компрессию, а двигатель полностью утрачивает работоспособность.

Подшипники скольжения распредвала, как правило, представляют собой разрезные биметаллические втулки, рис. 8.3, с основой и антифрикционным слоем, аналогичным вкладышам коленвала. В стыке разрезные втулки распредвала часто имеют фигурный замок, облегчающий установку их в постели. Втулки запрессовываются в отверстие – постель - с определенной ориентацией для совмещения отверстий, через которые подается смазка. В более ранних конструкциях дизелей можно встретить такое решение, когда распределительный вал вращается непосредственно в отверстиях корпусных деталей остова двигателя (без установки вкладышей), но такие конструктивные решения резко снижают ремонтопригодность.

Рис. 8.3. Втулки (вкладыши) подшипников распредвала

Отдельно необходимо остановиться на аспекте регулировки фаз газораспределения в современных дизелях. Дело в том, что конструкции современных двигателей могут включать в себя не один, а, как минимум, два распредвала, при этом каждый распредвал управляет своей группой клапанов, - впускных или выпускных. В этом случае появляется возможность (в зависимости от режима работы двигателя) выбирать наиболее оптимальные фазы газораспределения за счет использования специальных механизмов, вмонтированных в шестерню привода распредвала. Такие механизмы по команде электронного блока управления двигателем (ЭБУ) смещают на заданный угол распредвал относительно зубчатого венца шестерни, чем достигается изменение фаз газораспределения.

Кулачек распредвала приводит в действие механизм привода клапанов. Для двигателей с нижним расположением распредвала кулачек вала приводит в движение толкатель, который передает движение на штангу толкателя. Далее штанга толкателя воздействует на коромысло, которое, в свою очередь, нажимает на стержень клапана. Такова классическая схема. Рассмотрим отдельные элементы конструкции. Толкатель в самом простом случае представляет цилиндр с плоской торцевой поверхностью, внутри толкателя делается сферическая поверхность, на которую опирается ответная сфера штанги толкателя. Поскольку механизм газораспределения подвержен действию сил инерции, возникающих в результате постоянного изменения скорости движения деталей, пара трения кулачек распредвала – толкатель тщательно подбирается, а поверхности деталей проходят термохимическую или просто термическую обработку с целью увеличения твердости трущихся поверхностей. Толкатель установлен в расточку блока, причем ось отверстия смещена относительно кулачка, что вызывает вращение толкателя при работе и его равномерный износ. Такая конструкция ввиду специфики работы склонна к разрушению под действием контактных напряжений, что выражается в появлении каверн от выкрашивания материала на рабочей поверхности деталей. В тяжелонагруженных двигателях используют более сложную конструкцию толкателя с роликом, которая позволяет увеличить долговечность работы пары кулачек – толкатель, Необходимо иметь ввиду, что ролик должен занимать строго определенное угловое положение относительно кулачка распредвала, поскольку его поворот относительно оси вызовет моментальную поломку механизма. Поэтому роликовый толкатель должен иметь фиксатор от поворота. Конструкции роликовых толкателей нашли широкое применение в реверсивных дизелях.

Штанга толкателя это трубка с напрессованными по концам наконечниками со сферами (наружными или внутренними), которые опираются на ответные сферические поверхности толкателя и коромысла. Клапанные коромысла это рычаги (как правило, неравноплечие), которые имеют возможность качания на оси коромысел, закрепленных на головке блока или крышке цилиндра. Понятно, что каждому кулачку распредвала соответствует свой толкатель, штанга толкателя и коромысло. Если крышка цилиндра имеет компоновку с четырьмя клапанами (два впускных и два выпускных), то одно из плеч рычага клапанного коромысла выполняется в виде вилки. Также в этом случае возможны конструктивные варианты.

Оси коромысел качаются на подшипниках, в большинстве конструкций, это подшипники скольжения. Ось коромысел имеет поверхностную обработку на повышение твердости, а в отверстие коромысла устанавливаются биметаллические разрезные втулки (иногда тонкостенные бронзовые). Смазка в узел подшипника подается через ось коромысел. В коромысле клапана предусматривается возможность выполнения регулировки теплового зазора в клапане, который задается из соображений компенсации разности тепловых удлинений клапанов, деталей остова и деталей привода. Обычно этот узел представляет собой винт, вкручиваемый в тело коромысла и контргайка, при этом, в зависимости от конструктивного решения, винт может опираться как на толкатель, так и на клапан (возможно, через специальную шайбу).

По иному выглядит привод клапанов у двигателя с верхним расположением распредвала. Принципиально, такая компоновка двигателя позволяет уменьшить массу деталей привода и, таким образом, уменьшить нагрузки на детали от сил инерции ГРМ. Обращает на себя внимание разнообразие конструкций привода клапанов в верхнераспредвальных двигателях. Так распределительный вал ГРМ может открывать клапан посредством рычага, установленного на ось, также рычаг может опираться на сферическую опору, причем кулачек распредвала может работать как непосредственно по твердой поверхности рычага, так и по ролику, установленному в рычаг. Возможен вариант, когда кулачек распредвала воздействует непосредственно на клапан, без рычага. В этом случае клапана с пружинами устанавливаются в колодцах, которые являются направляющими для толкателей с плоским дном, по которым и работает распредвал. Хорошо известна конструкция, когда толкатель крепится непосредственно на клапан и является элементом узла регулировки теплового зазора.

Для минимизации инерционных нагрузок в конструкцию привода клапанов часто вводят узел компенсации тепловых удлинений деталей. Такой узел представляет гидроцилиндр с невозвратным клапаном и называется гидрокомпенсатором. Под действием давления масла и (или) пружины, установленной в цилиндре поршень выдвигается из цилиндра до полного выбирания всех зазоров в механизме привода клапанов. При начале движения деталей привода поршень нагружается, сжимая масло в цилиндре, невозвратный клапан закрывается и, вследствие несжимаемости масла, весь узел начинает работать как цельная деталь. После снятия нагрузки давление в гидрокомпенсаторе падает, невозвратный клапан открывается и дает возможность пополнить утечки масла из компенсатора, происшедшие за время рабочего хода. Перед установкой новых гидрокомпенсаторов либо из них нужно удалить консервирующее масло, либо оставить собранный механизм на определенное время для удаления излишков масла из гидрокомпенсаторов. Наиболее типичными местами установки гидрокомпенсаторов являются: толкатели ГРМ, вместо узла регулировки теплового зазора в коромыслах и опоры рычагов привода клапанов в двигателях с верхним распредвалом. Как уже отмечалось, гидрокомпесаторы позволяют обеспечить работу механизма без зазора, это означает, что начальная скорость открытия клапана минимальна, т.е. снижаются силы инерции в механизме, и, как следствие, уменьшаются износы деталей. Кроме того, при наличии гидрокомпенсации зазоров в клапанном механизме упрощается обслуживание двигателя и, что самое главное, обеспечивается постоянство фаз газораспределения вне зависимости от тепловых зазоров в клапанах. Однако система гидрокомпенсации тепловых зазоров имеет ряд недостатков, так она крайне требовательна к геометрии распределительного вала в части сохранении линии вала. Очевидно, что при возникновении прогиба вала, начальный диаметр кулачка (затылок кулачка) превращается в эксцентриковую шайбу, что влечет за собой приоткрывание клапана в тактах сжатия – расширения, разгерметизацию цилиндра и потерю работоспособности двигателя. Сами гидрокомпенсаторы крайне требовательны к качеству и к степени очистки масла, поскольку попадание любого включения масла под клапан моментально повлечет за собой выход из строя гидрокомпенсатора (по этой причине категорически запрещается контакт гидрокомпенсатора с магнитом). Кроме того, гидрокомпенсаторы должны работать при определенном давлении в масляной магистрали, поскольку при превышении рабочего давления гидрокомпенсатор способен преодолеть действие клапанной пружины и вызвать открытие клапана. Отсюда вытекают особые требования к точности работы редукционных клапанов системы смазки. Также нужно отметить тот факт, что гидрокомпенсатор имеет ограниченный рабочий ход, поэтому при проведении ремонтных мероприятий нужно контролировать всю конструкторскую цепь размеров, способных вывести гидрокомпенсатор за пределы рабочего диапазона.

Рассматривая механизм привода клапанов нельзя не упомянуть о уже существующих системах электронного управления открытием клапанов, и, не смотря на то, что они пока не имеют широкого распространения, можно предположить, что за ними будущее. Также нужно упомянуть о системах гидропривода клапанов, использующихся, в основном на МОД.

К клапанному механизм двигателя, рис. 8.4, относятся:

Рис. 8.4. Детали клапанного механизма

направляющие втулки клапанов, собственно клапана, клапанные пружины, тарелки пружин, стопорные элементы тарелок пружин (обычно сухари), и пр. Иногда под пружинами (или над ними) устанавливаются упорные подшипники качения, снижающие потери трения на скручивание пружин при их сжатии, а также способствующие повороту клапана на оси. Для поворота клапана в ряде конструкций клапанного механизма используют специальные механизмы с целью обеспечения равномерности износов уплотнительной фаски клапана и седла. В целях сокращения расхода масла через направляющие клапанов, в конструкцию двигателей с наддувом часто включают уплотнительные элементы в виде маслосъемных колпачков, надевающихся на направляющие клапана, маслоотбойных шайб и др.

Клапан двигателя является крайне тяжелонагруженной в тепловом отношении деталью, поскольку колебания температур у поверхности тарелки клапана может достигать в тяжелонагруженных двигателях 500 и более градусов. Мало того, выпускной клапан подвержен воздействию агрессивной среды, которой является отработавшие газы, особенно при работе двигателя на тяжелых топливах, содержащих ванадий. По этой причине клапаны изготавливаются из высокосортных жаропрочных аустенитных сталей, а рабочие фаски клапана могут иметь вплавки из безоксидной керамики. Стержень клапана, работающий в направляющей втулке клапана, обычно подвергается специальной обработке поверхности цилиндра с целью повышения износостойкости или хромируется. Торцевая часть клапана в месте контакта с коромыслом, должна имеет особо твердую износостойкую поверхность.

В дополнение, необходимо отметить, что клапан это одно из немногих мест в конструкции двигателя, где требуется использование дорогих материалов. Несмотря на очень высокие температуры, достигаемые в камере сгорания (и, в принципе, обеспечивающие высокую термодинамическую эффективность цикла), средние температуры деталей, благодаря цикличности работы двигателя, оказываются весьма умеренными, а это означает, что подавляющее большинство деталей может изготавливаться из простых, дешевых и технологичных конструкционных материалов. К сожалению, применительно к газотурбинным установкам этого сказать нельзя.

Место посадки и уплотнения клапана в огневом днище крышки или головки называют седлом. Седло выполнено прямо в канале (впускном и выпускном), оно может быть сменным, поскольку является быстроизнашиваемым элементом. Как правило, седла запрессовываются в расточку канала, хотя, встречаются конструкции, в которых седла устанавливаются на стопорящих устройствах по переходной посадке. Материал седла – высокопрочный чугун, бронза, а также композиционные горячепрессованные материалы.

Направляющие втулки клапана устанавливаются по прессовой посадке в расточку головки или крышки цилиндра (редко клапан работает просто в расточке головки). Втулки изготавливают из чугуна или бронзы, в последнее время получили распространение втулки, изготовленные методами порошковой металлургии. Внутренняя поверхность втулки может иметь не глубокую нарезку с крупным шагом для удержания масла, смазывающего клапан.

В заключении несколько слов о механизме газораспределения двухтактных двигателей. В самом простом и классическом случае механизм газораспределения двухтактного двигателя представляет собой продувочные окна, открытием которых управляет поршень. Очевидно, что при реализации петлевой продувки механизма, как такового, не существует. При использовании прямоточной продувки, в крышке цилиндра двигателя устанавливается клапан (клапана), обычно выпускной. В таком случае требуется включение в конструкцию двигателя механизма, управляющего открытием клапана. Этот механизм по своей конструкции мало отличен от конструкции ГРМ четырехтактного двигателя за тем отличием, что частота срабатывания клапанного механизма двухтактного двигателя составляет один раз за один оборот коленчатого вала.

Л е к ц и я № 9

ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ СУДОВЫХ ДВС

Прежде чем приступить к изучению систем двигателей, необходимо констатировать, что все их рассматриваемые системы интегрированы в общие системы СЭУ и являются их неотъемлемой частью.

Системы двигателей внутреннего сгорания предназначены для обеспечения работы всех механизмов ДВС и двигателя вцелом. Рассмотрение систем начнем с системы смазки.

Система смазки выполняет функцию подачи масла ко всем узлам трения двигателя, а также производит съем тепла от ряда деталей двигателя, охлаждаемых маслом. Кроме того, смазывающее масло системы смазки выполняет функцию уплотнения деталей цилиндро-поршневой группы, а в межэксплуатационный период консервирует смазываемые детали.

Смазка деталей двигателя может осуществляться: под давлением, разбрызгиванием (барботажная смазка), за счет действия инерционных сил (черпаками, установленными на движущихся деталях) и лубрикаторным насосом, подающим масло на определенные трущиеся поверхности. Инерционные системы смазки в современных двигателях практически не используются (за исключением легких подвесных моторов), при этом они получили распространение в компрессорной технике и насосах. Лубрикаторные системы смазки находят применение в большеразмерных МОД, в основном, для смазки цилиндров. Смазка разбрызгиванием используется для деталей цилиндропоршневой группы всех поршневых ДВС (за исключением крейцкопфных МОД с лубрикаторной смазкой цилиндров), а также в отдельных конструкциях для смазки втулок ВГШ.

Наибольшее распространение в современных двигателях получила система смазки под давлением, в которой смазка к узлам трения и охлаждения подается принудительно специальным насосом. Масло забирается из емкости (например, масляного поддона) масляным насосом через фильтр приемник и подается в систему. После выполнения своих функций, масло стекает обратно в емкость масляного поддона и снова подается в систему. Таким образом, в двигателе используется всегда ограниченный объем масла, которое постоянно циркулирует в системе при работе двигателя. В этой связи, такие системы по иному называют циркуляционными. При этом если масло хранится в емкости, образованной в фундаментной раме, либо в поддоне двигателя, куда оно и стекает при работе, то такие системы смазки называют системами смазки с «мокрым» картером. Но двигатель с такой системой смазки плохо переносит возникающие при работе крены и деференты, поскольку существует опасность оголение масляного приемника и, как следствие, возможен срыв потока в насосе и завоздушивание системы. Этот недостаток устраняется системой с «сухим» картером, в которой стекающее масло постоянно откачивается из поддона или фундаментной рамы отдельным откачивающим насосом в специальную емкость для хранения масла. В свою очередь, циркуляционный нагнетательный масляный насос забирает масло из емкости и подает его в систему. Было бы не совсем правильно представлять емкость для хранения циркуляционного масла как некий отдельный бак (хотя в большинстве случаев это действительно так), поскольку известны конструкции двигателей, когда она (емкость) закомпонована как единое целое с поддоном блока.

Не смотря на то, что конструкция системы смазки с сухим картером оказывается несколько сложнее, чем система с мокрым картером за счет использование дополнительного масляного насоса, отдельной емкости и дополнительных магистралей, она находит широкое применение в современных судовых дизелях прежде всего потому, что такие системы в числе прочего обеспечивают повышенные ресурсы работы масла ввиду ограниченного контакта масла с картерными газами. Обычно насосы системы смазки с сухим картером объединены в блок и имеют общий привод от коленчатого вала, при этом производительность откачного насоса должна быть существенно большей, нежели производительность нагнетательного.

Масляный насос является одним из главных узлов системы смазки. Масляный насос обеспечивает беспрерывную подачу смазывающего масла в систему двигателя с требуемым давлением и расходом. При этом он должен обладать некоторым запасом по производительности, в расчете на уменьшение гидравлического сопротивления системы смазки в ходе эксплуатации за счет увеличения зазоров в подшипниках скольжения, связанных с износом деталей. Кроме этого в расчет берется также уменьшение производительности самого насоса при его износе. Давление в системе смазки поддерживается постоянным в процессе эксплуатации и в различных конструкциях двигателей оно широко варьируется от 0.08 до 0.9 МПа. Постоянство давления обеспечивается за счет установки специальных перепускных клапанов (или клапана) в масляных магистралях двигателя. Эти клапаны традиционно называют редукционными и при достижении предельного заданного давления в магистрали, они открывают сток масла либо на всасывание насоса, либо в поддон двигателя. Редукционные клапана могут устанавливаться как в определенных точках масляных магистралей, так и могут быть интегрированы в конструкцию масляных насосов.

Самыми распространенными конструкциями масляных насосов являются шестеренчатые насосы, а на крупных двигателях используют винтовые насосы, обладающие большей производительностью.

Прежде чем попасть к подшипникам и другим узлам, масло должно быть подвергнуто очистке, поскольку отработавшее масло, стекающее из узлов трения в поддон двигателя, загрязнено продуктами износа и разложения масла подвергшегося воздействию высоких температур. Поэтому масляный насос подает весь поток масла в систему фильтрации.

Способы фильтрации масла достаточно многочисленны, рассмотрим наиболее используемые. Фильтрация масла может производиться за счет протекания масла через мелкоячеистые препятствия и очистка масла от загрязнений в таком случае производится путем оседания загрязнений на фильтрующих поверхностях. Разделяют фильтры грубой и тонкой очистки. Фильтр грубой очистки в самом простом случае представляет сетку с ячейкой размером 0.15 мм и меньше. Сетка может быть натянута рукавом на цилиндрическую оправку, а может быть, для увеличения площади фильтра, натянута на дисковые элементы, собираемые в пакет. Другим видом фильтров грубой очистки масла являются щелевые фильтры, состоящие из пакетов пластин и звездочек, набранных на одной оси. Масло, протекая в зазорах между дисками, оставляет крупные загрязнения, не способные пройти в щелевой зазор. Такой фильтр удобен тем, что он легко очищается от загрязнений, для чего достаточно провернуть диски относительно звездочек, при этом осевшие загрязнения снимаются и оседают в отстойную часть фильтра, откуда могут быть удалены. Кроме вышеозначенных конструкций, нашли распространение фильтрующие элементы, полученные путем намотки гофрированной ленты. В таких фильтрах масло протекает между неплотными стыками ленты, оставляя в зазорах грубые загрязнения. Фильтры грубой очистки масла предназначены для отбора крупных частиц загрязнений масла с размером от 60 до 120 мкм и более с целью снятия основной нагрузки с фильтров тонкой очистки масла, которые имеют дисперсность фильтрации 30 … 5 мкм и менее.

Таким образом, грубо очищенное масло подается к фильтрам тонкой очистки. При этом возможны варианты, когда через фильтр тонкой очистки пропускается весь поток масла, который далее направляется в систему и, тогда такой фильтр называют полнопоточным. Можно встретить конструкции систем, в которых тонкой фильтрации подвергается только часть масла, прошедшего через фильтр грубой очистки, после чего отфильтрованное масло сливается в поддон. Очевидно, что схема с полнопоточным фильтром является более предпочтительной с точки зрения качества очистки масла, но она обладает значительно более высоким гидравлическим сопротивлением.

Фильтры тонкой очистки могут быть объемными, например толстый войлок. В таких фильтрах масло очищается, проходя по всему объему фильтра. А могут быть – поверхностными, когда масло проходит через мембрану, оставляя загрязнения на поверхности, Последняя конструкция фильтра является наиболее дешевой и распространенной. Конструкция поверхностного фильтр элемента крайне проста: вокруг стального тонкостенного трубного каркаса с крупной перфорацией укладывается собранная в гофр фильтровальная бумага или другой фильтровальный материал, а торцевые части фильтр-элемента закрываются отвальцованными жестяными дисками. По образующей цилиндрический элемент обрамлен перфорированным картоном или тонкой жестью. Элементы такого типа не только просты в конструкции, но и не представляют никаких трудностей в ремонте – они разовые и просто подлежат замене. Внешний вид такого фильтра показан на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Фильтр-элемент поверхностного типа

Необходимо отметить тот факт, что по мере загрязнения фильтров, как очевидно, сопротивление их повышается, а дисперстность фильтрации улучшается. Для обеспечения безостановочной работы двигателя, фильтры в системе задублированы таким образом, чтобы была возможность провести регламентные работы по очистке и восстановления отдельного одного фильтра при функционировании фильтра-дублера.

Корпуса фильтров должны быть снабжены перепускными клапанами, которые открываются в случае возникновения повышенного перепада давления на фильтре (либо по причине забитого фильтра либо из-за повышенной вязкости холодного масла) и пропускают нефильтрованное масло в систему. Клапан перепуска масла мимо фильтра решает две задачи: во-первых, большим перепадом давления фильтр может быть сложен, в результате чего потеряет работоспособность и, во-вторых, трущиеся детали двигателя не окажутся в режиме масляного голодания. В этой связи следует избегать большого количества холодных пусков двигателя без предварительного подогрева, какими либо источниками.

Кроме перепускного клапана, в корпусе фильтра устанавливается еще один клапан, функциональное назначение которого – препятствовать истечению масла из системы (дренажированию) за то время, когда двигатель не работает. В соответствии со своей функцией, этот клапан называется противодренажный, и является, по сути, запорным клапаном, разобщающим при отсутствии давления в системе магистрали чистого и грязного масла. Четкость работы противодренажного клапана крайне важна для процесса запуска двигателя после стоянки, поскольку не заполненный маслом насос обладает низкой всасывающей способностью, и подшипники скольжения двигателя некоторое время работают без смазки. Для устранения этого негативного эффекта, в параллель основному подающему масляному насосу, не редко, устанавливают маслозакачивающий насос (МЗН) с автономным приводом, которым можно создать давление в системе смазки еще до начала пускового проворачивания коленчатого вала двигателя.

Распространенным способом тонкой очистки масла является инерционный принцип с использованием центробежных сил. Для такой очистки используются центрифуги и сепараторы. В центрифуге тяжелые частицы загрязнения, под действием центробежной силы, выпадают на внутренней поверхности вращающегося цилиндра - барабана, масло в который подается под давлением по оси вращения барабана. Как правило, цилиндр центрифуги получает вращательное движение от реактивной силы сопел, из которых с большой скоростью истекает очищенное в центрифуге масло. Как очевидно, инерционные центробежные фильтры – центрифуги устанавливаются по схеме не полнопоточного фильтра тонкой очистки

Принцип действия сепаратора несколько отличается от центрифуги. В сепараторе масло протекает в зазорах между вращающимся набором конических тарелок. Продвигаясь от периферии к центру – оси вращения тарелок, масло теряет загрязнения, которые оседают под действием центробежных сил на внутренней поверхности вращающихся тарелок. Мелкие загрязнения объединяются в крупные конгломераты, которые под действием все той же центробежной силы сползают с тарелок и оседают на дне сепаратора. Сепаратор обладает очень высокой дисперсностью фильтрации, но для правильной работы сепаратора обязательно должно быть выдержано условие ламинарности течения масла в зазорах между тарелками. Сепаратор масла - автономный агрегат (подача масла к тарелкам производится автономным масляным насосом, а вращение тарелкам придает электродвигатель) и используется он для периодической очистки всего объема масла, участвующего в циркуляции, даже при не работающем двигателе. В этой связи такой агрегат, скорее, следует отнести к элементам масляной системы энергетической установки, нежели к системе смазки двигателя.

Проходя по системе и выполняя свои основные функции, масло подвергается нагреву. Для отвода тепла от циркулирующего масла, в систему смазки включаются теплообменники – водомасляные холодильники. Теплообменник, как правило, устанавливается в системе в магистраль чистого масла, таким образом, понижается риск загрязнения холодильника продуктами износа и разложения масла. Охлаждение масла может производиться как забортной водой, так и охлаждающей жидкостью из системы охлаждения. В последнем случае температура масла поддерживается в зависимости от температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения. Заметим, что на режимах пуска-прогрева масло подогревается, поскольку охлаждающая жидкость нагревается гораздо быстрее, чем масло. Такая компоновочная схема масляного теплообменника используется на большинстве двигателей транспортного назначения. В судовых системах предпочитают охлаждать масло забортной водой, причем масло подается в холодильник через терморегулятор, который распределяет потоки масла через теплообменник или мимо него (в том случае, если масло не нагрето до температуры открытия термостата).

Система охлаждения предназначена для отвода тепла от деталей остова двигателя, подвергающихся воздействию высоких температур внутрицилиндровых газов – гильзы цилиндра (или цилиндра) и головки (крышки) цилиндра, а также для поддержания их температур в заданном рабочем диапазоне (в обеспечение расчетных условий протекания внутрицилиндровых процессов). В зависимости от используемого теплоносителя системы охлаждения могут быть жидкостными и воздушными. Воздушные системы предусматривают наличие мощного вентилятора и системы дефлекторов, которые формируют воздушные потоки вокруг охлаждаемых деталей, наружные поверхности которых имеют оребрение. В основном, такие системы используют на двигателях автотранспортного назначения.

Для судовых двигателей более предпочтительными являются системы жидкостного охлаждения. Корпусные детали в таких двигателях формируют внутренние полости охлаждения, в которых циркулирует охлаждающая жидкость, а совокупность полостей и каналов между ними называют рубашкой охлаждения. В качестве охлаждающей жидкости в системах охлаждения используют специально обработанную пресную воду, либо, если существует угроза воздействия отрицательных температур, используют незамерзающие жидкости на основе этилен- или пропиленгликоля, которые называются антифризами или тосолами.

Система охлаждения двигателя включает в себя водяной насос (помпа), теплообменник (теплообменники), устройства регулирования и поддержания температуры воды и магистрали системы.

Несмотря на внешнюю простоту системы, она является самой сложной и капризной системой двигателя. Для формирования равномерного поля температур по поверхности деталей (поскольку местные перегревы деталей приводят к деформациям и искажениям в геометрии точно изготовленных деталей) требуется достаточно точный тепловой и гидродинамический расчет системы. И даже в этом случае система охлаждения конкретной модели двигателя требует экспериментальной доводки. Охлаждающая жидкость, циркулирующая в системе охлаждения, должна быть изолирована от других сред, используемых в двигателе и способных, в случае неисправности системы, проникнуть в охлаждающую жидкость – внутрицилиндровых и отработавших газов, масла и топлива. Так, например, потеря герметичности уплотнения газового стыка между головкой и блоком (гильзой) цилиндра приведет к созданию повышенного давления в системе охлаждения, образованию газовых пробок и срыва циркуляции в системе. При возникновении такой ситуации происходит перегрев деталей и выход из строя всего агрегата. Проникновение охлаждающей жидкости в масло системы смазки вызовет потерю свойств масла и, следовательно, повышенный и ускоренный износ смазываемых деталей. Теплонапряженные детали двигателя склонны к образованию усталостных трещин, способных прорасти в рубашку системы охлаждения, и тогда поиск неисправности системы охлаждения и двигателя в целом и ее устранение, может превратиться в крайне трудно разрешимую задачу.

В качестве водяного насоса в системе охлаждения используют, как правило, центробежные насосы, которые приводятся от коленчатого вала двигателя (возможно использование автономных насосов). Насосом охлаждающая жидкость в классической системе подается в нижнюю часть блока цилиндров, как наиболее холодную часть. Далее теплоноситель поступает в верхнюю часть двигателя и охлаждает крышку (головку) цилиндра. Выполнив свою функцию, а именно, охлаждение нагретых деталей двигателя и его агрегатов (например, турбокомпрессора), охлаждающая жидкость подходит к устройству регулирования температуры в системе – терморегулятору (термостату). Термостат, обладая автоматическим трехходовым краном, распределяет потоки охлаждающей жидкости: если температура не достигает заданной величины, то термостат направляет жидкость обратно на всасывание насоса, если температура охлаждающей жидкости превышает заданное значение, то термостат открывает подачу жидкости на вход помпы через теплообменник. Нужно знать, что термостаты могут быть простого (описанного выше) и двухстороннего действия, когда одновременно с открытием магистрали подачи на теплообменник, второй клапан перекрывает подачу жидкости непосредственно на всасывание помпы. Соответственно контуры циркуляции называют малый круг циркуляции (теплообменник исключен) и большой круг циркуляции охлаждающей жидкости (когда поток идет через холодильник). Попутно отметим, что есть ошибочное мнение о том, что при удалении неисправного термостата система охлаждения на режимах, близких к номинальному, будет нормально функционировать. Это не так, поскольку в случае использования термостата двухстороннего действия, удаление термостата из системы, как правило, приводит к перегреву двигателя, поскольку внешний контур циркуляции может обладать гидравлическим сопротивлением большим, чем внутренний.

Широкое распространение получили терморегуляторы дистанционного типа. Действительно, если теплообменник удален от двигателя, то регулирующий клапан располагают вблизи холодильника, а измерительный элемент термостата (термобаллон) устанавливают на двигателе. Управление клапаном может быть электронным, либо с использованием простой механической системы, работающей по принципу манометрического термометра. В такой системе измерительный узел – термобаллон, заполненный специальным составом, кипящим при низкой температуре (25 – 30 ^оС), соединен с исполнительным механизмом капиллярной трубкой. Термобаллон помещается в измеряемую среду в точке измерения. Объемное расширение наполнителя колбы при ее нагреве создает давление в герметичном измерительном контуре. Это давление преобразуется в механическое воздействие на регулирующий клапан.

В качестве теплообменного аппарата в системе охлаждения могут использоваться воздушно-жидкостные холодильники. Такие системы являются полностью автономными, поскольку отбор тепла от охлаждающей жидкости производится воздухом, который подается через радиатор специальным вентилятором, приводящимся от коленвала двигателя или от электрического двигателя. Такие системы называются радиаторными и широко распространены на двигателях транспортного назначения. Однако использование таких систем в СЭУ не эффективно, в связи с большим потреблением энергии вентилятором, поскольку воздух является далеко не лучшим теплоносителем. В основном, в СЭУ используют водо-водяные холодильники, в контурах которого в качестве горячего теплоносителя циркулирует охлаждающая жидкость, а в качестве холодного теплоносителя используется забортная вода (внешний контур охлаждения). Понятно, что эта система предусматривает использование насоса забортной воды для подачи ее в теплообменник.

Рассматривая аспекты проблемы охлаждения нагретых деталей двигателя необходимо упомянуть о системах, которые позволяют минимизировать непроизводительные потери тепла в систему охлаждения. Для сокращения потока тепла через стенку (при условии постоянства температуры теплоотдающей среды), как следует из законов теплопередачи, можно увеличить тепловое сопротивление стенки, а можно повысить температуру тепловоспринимающей среды. Первый способ состоит в теплоизоляции внутренней поверхности цилиндра за счет использования низкотеплопроводных материалов или теплоизоляционных покрытий. Второй способ – повышение температуры холодного теплоносителя – охлаждающей жидкости. Но повышение температуры жидкости, циркулирующей в системе охлаждения, приведет к ее вскипанию, образованию паровых пробок в системе и, как следствие, к потере работоспособности конструкции. Поэтому для обеспечения возможности повышения температуры в системе охлаждения повышают температуру кипения охлаждающей жидкости путем создания избыточного давления в системе. Такие системы получили названия систем высокотемпературного охлаждения – ВТО. Использование систем с ВТО реально позволяет снизить непроизводительные потери тепла в систему охлаждения, но, при этом, они являют собой источник повышенной опасности, поскольку при разгерметизации системы происходит интенсивное моментальное вскипание охлаждающей жидкости во внутреннем контуре системы охлаждения со всеми вытекающими последствиями и угрозами. Именно по этой причине на всех крышках системы с ВТО можно увидеть надпись: «Внимание опасность! Никогда не открывать, если горячая».

Система газовоздушных трактов осуществляет подвод к двигателю и отвод от него рабочего тела. В самом простом случае система состоит из воздушного фильтра, впускного коллектора, выпускного коллектора и глушителя. Такая схема применима для так называемого атмосферного двигателя, когда воздух в цилиндр подается непосредственно под атмосферным давлением. С целью повышения массы воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, воздух может быть предварительно подвергнут сжатию в компрессоре и тогда система газовоздушных трактов будет включать в себя систему наддува, рис.9.2. Учитывая то, что системы наддува позволяют увеличить удельные мощности агрегатов, они получили широкое распространение. Наиболее распространены системы газотурбинного наддува. Агрегат наддува – турбокомпрессор представляет, собой компаунд двух агрегатов, собранных на одной оси – воздушного компрессора (К – рис.9.2) и газовой турбины (Т – рис.9.2), работающей от энергии отработавших газов двигателя.

Воздух

Отработавшие газы

Рис.9.2. Схема системы газотурбинного наддува ДВС.

Энергия, выделяющаяся при сгорании топлива в двигателе, как следует из второй основы термодинамики, не может быть производительно использована полностью. Часть энергии в виде непроизводительных потерь неизбежно передается окружающей среде и покидает цилиндр вместе с отработавшими газами. Газовая турбина, установленная на выпуске из двигателя, потребляет энергию отработавших газов и приводит во вращение компрессор, который обеспечивает цилиндры двигателя сжатым воздухом. Не правильно было бы полагать, что турбокомпрессор является агрегатом, который работает, по сути, на бесплатной энергии. Это не так, поскольку турбина не может работать только за счет перепада температур, а еще дополнительно создает противодавление на выпуске из цилиндров, тем самым, заставляя двигатель вращать турбину. Правда, при этом нужно учитывать то, что мощность турбины полностью затрачивается на сжатие свежего заряда цилиндра в компрессоре и давление поступающего в цилиндр заряда действует на поршень, совершая полезную работу на такте наполнения.

После сжатия в компрессоре, воздух одновременно с повышением давления, повышает и свою температуру, в результате чего плотность воздуха и его количество, в связи с нагревом, понижаются. Для увеличения массы подаваемого в цилиндр воздуха, в ряде случаев, после компрессора устанавливают охладитель надувочного воздуха (ОНВ). Это водо-воздушный теплообменник, в котором в качестве холодного теплоносителя резонно использовать забортную воду.

Интересно отметить тот факт, что схема системы газотурбинного наддува, представленная на рис. 9.2, может быть легко преобразована в схему простейшей газотурбинной установки (ГТУ), если рассматривать ДВС как камеру сгорания, а мощность установки снимать не с коленчатого вала поршневого двигателя, а с вала турбины. При этом для запуска ГТУ на общий вал турбины и компрессора необходимо установить пусковой электродвигатель.

Отработавшие газы, покидая цилиндр двигателя, обладают достаточно высокой температурой до 650 ^оС и скорости, близкие к скорости звука. Следовательно, свободный выпуск двигателя является чрезвычайно шумным процессом. Для гашения шума от выхлопа на выпускном тракте двигателя устанавливают системы снижения шумности работы или глушители. Кроме того, на отдельных режимах работы в выпускной тракт из цилиндра попадают несгоревшие частицы сажи, которые, догорая, могут представлять пожарную опасность. По этому выпускные системы в отдельных случаях могут включать в себя пламя- и искрогасители.

Необходимо отдельно сказать о системе утилизации энергии отработавших газов. Наряду с использованием отработавших газов в качестве рабочего тела турбины турбокомпрессора, тепловую энергию отработавших газов используют в утилизационных котлах для подогрева воды или производства водяного пара. Правда, эту систему можно рассматривать, как большой газо-водяной теплообменник.

Так же необходимо упомянуть о том, что в выпускной тракт могут устанавливаться каталитические дожигающие устройства (катализатор) и сажевые фильтры, которые позволяют существенно улучшить экологические характеристики двигателя

Рассмотрим далее последнюю, самую сложную из главных систем, без которых невозможно функционирование двигателя внутреннего сгорания – систему топливоподачи.

Топливоподающая система судового дизельного двигателя, является подсистемой топливной системы СЭУ и состоит из подкачивающего насоса, фильтров, насоса (насосов) высокого давления, форсунок и топливных магистралей высокого и низкого давления с необходимой арматурой.

Предварительно подготовленное в системе судовой энергетической установки топливо подается к топливоподкачивающему насосу и через фильтры – к топливному насосу высокого давления (ТНВД).

ТНВД это самый главный, сложный и дорогостоящий элемент топливоподающей системы дизельного двигателя, рисунок 9.3. В любом дизельном двигателе в том или ином виде присутствие этого элемента обязательно.

Рис. 9.3. Топливный насос высокого давления.

Основным назначением ТНВД является обеспечение подачи топлива к форсунке. При этом топливо должно быть подано под требуемым давлением, по заданному закону, в строго определенный момент времени, точно дозированной порцией в размере цикловой подачи. Конструкций ТНВД достаточно много. В основном это плунжерные насосы высокого давления, основным элементом которых является плунжер и втулка плунжера – две прецизионные не взаимно заменяемые детали, образующие плунжерную пару. Варианты исполнения плунжерных пар показаны на рисунке 9.4.

Рис.9.4. Плунжерные пары ТНВД

При этом насосы могут быть одноплунжерные распределительного типа, когда единственный плунжер насоса производит одновременно подачу и распределение топлива по цилиндрам. Насосы такого типа применяются в основном на малоразмерных высокооборотных двигателях.

Широкое распространение получили блочные многоплунжерные ТНВД, в которых подача топлива в каждый цилиндр двигателя производится индивидуальной плунжерной парой, а плунжерные пары всех цилиндров установлены в одном корпусе (Рис. 9.3.).

На больших дизелях для сокращения длины магистрали высокого давления, вносящей искажения в закон подачи топлива (в виду сжимаемости топлива находящегося под высоким давлением) устанавливают отдельные секции ТНВД у каждого цилиндра, и такие насосы называют столбиковыми.

В некоторых конструкциях двигателей можно встретить так называемые насос-форсунки, представляющие собой собранный в одном корпусе с форсункой насос высокого давления. В таком случае магистраль высокого давления, как таковая отсутствует, но при механическом регулировании цикловой подачи топлива такая конструкция вызывает большие сложности в регулировке и настройке.

Для обеспечения нормального протекания процесса сгорания в двигателе, топливо подается в цилиндр под очень высоким давлением по заданному закону подачи. В зависимости от выбранного способа смесеобразования это давление может составлять от 35 МПа до 170 и более МПа.

Очевидно, что в зависимости от режима работы двигателя цикловая подача топлива должна изменяться в достаточно больших диапазонах. Для изменения цикловой подачи топлива в конструкцию плунжера интегрирован золотниковый механизм, представляющий собой спиральную канавку, изготовленную на его цилиндрической поверхности и сообщающуюся отверстием с надплунжерным пространством (см. рис 9.4.и 9.5.).

Рис. 9.5. Принцип действия золотникового механизма плунжерного ТНВД

Принцип работы золотникового механизма показан на рис. 9.5 и заключается в следующем. Плунжер находится в подпружиненном состоянии и получает поступательное движение от кулачка кулачкового вала ТНВД. Втулка плунжера имеет отверстие, которое сообщено с топливным каналом насоса, причем отверстие находятся на определенном уровне от торца втулки и строго ориентировано. При ходе плунжера вниз под воздействием пружины (когда отверстие находится выше верхней кромки плунжера), топливо, находящееся под давлением, созданным подкачным насосом в топливном канале ТНВД, наполняет надплунжерное пространство. При движении плунжера вверх под действием кулачка, сначала топливо вытекает через отверстие в канал насоса, а после перекрытия отверстия верхней кромкой плунжера начинается сжатие топлива, т.е. активный ход плунжера, когда топливо под давлением вытесняется в магистраль высокого давления к форсункам. Подача топлива происходит до тех пор, пока спиральная канавка плунжера не начнет совмещаться с отверстием втулки. Поскольку надплунжерное пространство соединено со спиральной канавкой, давление моментально падает, подача топлива прекращается, а вытесняемое плунжером топливо будет поступать через отверстие втулки в полость всасывания ТНВД. При этом количество подаваемого к форсункам топлива зависит от активного хода плунжера, который, в свою очередь, зависит от углового положения плунжера. Таким образом, при повороте плунжера относительно втулки (или наоборот), совмещение спиральной канавки будет происходить выше или ниже по ходу плунжера, изменяя активный ход плунжера и, как следствие, - цикловую подачу топлива.

Существует достаточно большое количество конструкций плунжерных ТНВД золотникового типа. Рассмотрим, для примера, одну из распространенных конструкций, когда управление подачей производится поворотом плунжера. В такой конструкции в нижней части плунжера изготавливается цилиндрическая часть с двумя лысками, которая заходит в пазы специальной втулки, на которую закрепляется зубчатый сектор, а в корпусе ТНВД установлена подвижная зубчатая рейка, находящаяся в зацеплении с зубчатым сектором. Следовательно, перемещение рейки будет изменять угловое положение плунжера, его активный ход и цикловую подачу топлива. Для устранения неравномерности подачи топлива по цилиндрам, необходимо обеспечить возможность поворота отдельно взятого плунжера. Для этого рейку можно изготовить разъемной, что позволит повернуть отдельно взятый плунжер, не изменяя положения остальных.

Несколько более сложную конструкцию будет иметь ТНВД, в котором реализована корректировка угла опережения подачи топлива в зависимости от величины цикловой подачи (мощностного режима). В этом случае верхняя кромка плунжера изготавливается в виде спиральной канавки. Очевидно, что в таком случае, при повороте плунжера перекрытие впускного отверстия втулки плунжерной пары будет происходить раньше или позже, в зависимости от положения верхней спиральной кромки плунжера, а, следовательно, начало нагнетания топлива к форсункам будет происходить раньше или позже, в зависимости от цикловой подачи. Такие насосы настраиваются уже по двум параметрам, в отличие от ранее рассмотренных, а именно: на равномерность подачи и на равномерность угла начала нагнетания (угла опережения подачи топлива) по цилиндрам. Очевидно, что при изменении углового положения плунжера для регулировки равномерности цикловой подачи топлива по цилиндрам, будет изменяться угол опережения подачи топлива на регулируемом цилиндре. Поэтому и предусматривается вторая регулировка, которая обеспечивается изменением высоты положения плунжера за счет установки дистанционных шайб в толкателе плунжера или регулировочного винта.

По аналогичному принципу работают ТНВД насос-форсунок и столбиковые насосы, за тем отличием, что привод плунжеров в них осуществляется не отдельным кулачковым валом, как в рассмотренных блочных насосах, а кулачком, расположенным на распределительном вале механизма газораспределения.

На двигателях малой размерности широко распространены одноплунжерные ТНВД распределительного типа, в которых один вращающийся плунжер одновременно производит подачу требуемой порции топлива и распределяет нагнетаемое топливо по цилиндрам. Такие насосы гораздо более просты в конструкции и регулировках и, что не менее важно, оказываются более дешевыми по сравнению с блочными насосами. Плунжер ТНВД распределительного типа имеет глубокое (не сквозное) центральное осевое сверление, начинающееся от верхней кромки и два радиальных, выходящих в осевое отверстие. Одно радиальное отверстие находится в нижней части плунжера и в этой части с минимальным зазором по плунжеру скользит втулка дозатора, соединенная с органом регулирования подачи топлива. Второе отверстие выходит в одну из коротких фрезеровок, выполненных от верхнего торца по образующей плунжера, причем количество фрезеровок соответствует числу цилиндров. При вращении плунжера фрезеровка с отверстием поочередно проходит мимо отверстий нагнетательных топливных магистралей насоса и распределяет топливо по цилиндрам. Благодаря остальным глухим фрезеровкам на поверхности плунжера, плунжерная пара в промежутках между подачами наполняется топливом из наполнительного отверстия, которое обязательно перекрывается телом плунжера к моменту подачи. Наполнительное отверстие соединено с внутренней полостью насоса, в котором находится топливо под давлением порядка 0.2…0.6 МПа. Внутриполостное давление создается внутренним подкачным лопастным насосом, среднего давления в зависимости от частоты вращения вала привода насоса (равной для четырехтактного двигателя половине частоты вращения коленчатого вала дизеля). Подача топлива к форсункам осуществляется возвратно-поступательным движением вращающегося плунжера. В насосе установлена неподвижная (условно) плоская кулачковая шайба, профиль кулачков определяет закон подачи, а их количество - число цилиндров. По плоской шайбе двигаются ролики, которые связаны с вращающимся плунжером и создают ему перемещение при прохождении по кулачкам. Величина цикловой подачи регулируется ранее упомянутой втулкой дозатора, которая в определенный момент, в зависимости от ее положения откроет радиальное отверстие и тем самым сообщит надплунжерное пространство с полостью среднего давления, прекратив подачу топлива к форсунке.

Т опливный насос подает топливо в магистрали (магистраль) высокого давления, которая соединяет насос с форсункой цилиндра (см. рис 9.6.),производящей распыливание топлива в камере сгорания (в цилиндре двигателя) с требуемой дисперсностью, создавая факел строго определенной формы.

Рис. 9.6.Форсунка

Форсунка с гидравлическим управлением состоит из распылителя форсунки и узла корпуса форсунки, рис 9.7.

Рис.9.7. Пример конструкции форсунки

Распылитель форсунки это прицензиозная пара – корпус и игла, рис.9.8.

Рис. 9.8. Различные виды распылителей форсунок

Игла распылителя обеспечивает конусное уплотнение, защищая распылитель от протеканий топлива, а также от проникновения в топливную магистраль внутрицилиндровых газов, находящихся в момент сгорания под давлением до 15 и более МПа. С одной стороны игла распылителя подпружинена, а с другой – воспринимает давление топлива на дифференциальную площадку. В том случае, если давление топлива на дифференциальную площадку создаст силу, превышающую силу действия пружины, иголка распылителя поднимется и произойдет впрыск топлива в цилиндр, см. рис 9.9. После снятия давления топлива (при отсечке подачи) под действием пружины игла распылителя примет исходное положение, прекратив подачу топлива в цилиндр.

Рис.9.9. Принцип действия распылителя.

Поскольку подача топлива в цилиндр происходит циклически, то в магистрали высокого давления возникают волновые процессы, которые способны спровоцировать нежелательный подвпрыск топлива, в случае, если амплитуда стоящей волны окажется у дифференциальной площадки распылителя и превысит значение давления открытия форсунки. Для предотвращения такого негативного явления, во-первых, все трубки высокого давления имеют строго заданную длину (вне зависимости от удаленности цилиндра) для данного двигателя (типа топливной аппаратуры) и, во-вторых, топливо подается к форсунке через специальный клапан, который называется нагнетательным.

Нагнетательный клапан ТНВД устанавливается прямо на выходе из насоса (непосредственно над плунжерной парой) и выполняет две функции. Клапан одновременно способствует быстрой разгрузке топливной магистрали, за счет наличия в конструкции поршенька, который при посадке клапана на седло отбирает из магистрали часть топлива, и поддержанию в топливной магистрали остаточного давления (порядка 4 МПа), поэтому при подаче топлива к форсунке сжатие топлива и другие эффекты (деформации магистрали) оказываются сглажены.

Топливные фильтры по своей конструкции мало отличны от рассмотренных ранее фильтров очистки масла за тем исключением, что топливный фильтр должен иметь более высокую дисперстность фильтрации (не редко она превышает дисперстность фильтрации масляного фильтра на порядок).

Топливоподкачивающий насос топливной системы дизеля производит подачу топлива к ТНВД под требуемым давлением. Создание избыточного давления (порядка 0,2 МПа) в системе топливоподачи преследует , в основном, две цели. Во первых, движущиеся детали ТНВД преодолевают действие сил трения, что всегда связано с выделением тепла, и, как следствие, с нагревом деталей насоса высокого давления. Протекающее под действием давления через насос топливо производит теплосъем и поддерживает температуру деталей в рабочем диапазоне. Во-вторых, в процессе наполнения плунжерной пары, за счет резкого увеличения объема надплунжерного пространства, создается разрежение, способное спровоцировать вскипание топлива и прекращение процесса топливоподачи. Повышенное давление на всасывании ТНВД повышает температуру кипения топлива и препятствует образованию паровых пробок. В качестве насосов подкачки используют либо поршневые, либо шестеренные конструкции насоов.

В заключении рассмотрения топливоподающей системы дизелей необходимо провести краткий обзор электронных систем впрыска топлива в цилиндр дизеля. Накопленный опыт в вопросах организации и математического моделирования рабочего процесса ДВС и достигнутый уровень развития микропроцессорных систем позволили интегрировать в топливоподающую систему дизеля ряд устройств, способных оптимизировать процесс топливоподачи и, следовательно, процессы сгорания-тепловыделения. Главным элементом системы является электронный блок управления двигателем (ЭБУ). ЭБУ собирает всю информацию о параметрах работы двигателя (положение органа управления двигателем, массовый расход воздуха, температурное состояние рабочих сред, частота вращения и мгновенные ускорения вращения коленчатого вала, давления в системах, спектр шумов от рабочего процесса, состав отработавших газов и пр.) и фазово-временных отметках (положение коленчатого и распределительных валов начало подачи топлива и пр.). Далее, на основе полученной информации по предустановленным программам ЭБУ выдает команды на исполнительные механизмы, непосредственно управляющие процессами.

Рассмотрим основные принципы работы самодиагностирующихся и самоадаптирующихся электронноуправляемых аккумуляторных систем впрыска последнего поколения – Common Rail. Топливный насос высокого давления этой системы без всякой синхронизации и, не принимая во внимание режим работы двигателя, подает через трубку высокого давления топливо в аккумулирующую магистраль, развивая давление до 175 МПа. Магистраль, в которой находится топливо под таким квазистационарным давлением, традиционно называют топливной рампой. Давление в топливной рампе поддерживается специальным перепускным клапаном и контролируется датчиками в зависимости от режима работы двигателя. Топливо от рампы подается по трубкам высокого давления к электронноуправляемым форсункам, см рис 9.10.

Рис.9.10. Внешний вид электронноуправляемой форсунки

В форсунке установлен гидравлически разгруженный электромагнитный быстродействующий клапан, который удерживает во внутренней полости форсунки давление топлива (равное давлению в рампе), препятствующее открытию распылителя форсунки под действием силы давления топлива на дифференциальную площадку иглы распылителя. Быстродействующий клапан открывается под действием управляющего импульса, генерируемого ЭБУ. В результате внутренняя полость форсунки, находящаяся под давлением, через жиклер сообщается с магистралью обратного топлива, давление в которой отсутствует. Падение давления во внутренней полости высвобождает действие силы давления топлива на дифференциальную площадку иглы распылителя, игла поднимается, преодолевая действие пружины, и происходит впрыск топлива. Продолжительность впрыска определяется характеристикой импульса, посылаемого ЭБУ. После закрытия клапана форсунки, давление во внутренней полости восстанавливается, и игла распылителя под воздействием пружины садится на уплотнительный конус, закрывая форсунку и прекращая подачу топлива в цилиндр. Принцип действия такой форсунки проиллюстрирован на рис 9.11.

Рис 9.11. Принцип работы электронноуправляемой форсунки системы “Common Rail”

Система Common Rail открывает большие возможности в организации высокоэкономичного и малотоксичного процесса сгорания в дизеле. Во-первых, за счет реально достигаемых высоких давлений впрыска, поскольку при механическом нагнетании топлива, например, плунжерным ТНВД золотникового типа достижение таких высоких значений давления подачи крайне затруднительно ввиду высокой инерционности системы и достаточно больших аккумулирующих объемов топлива в трубках высокого давления, в то время, как форсунка Common Rail постоянно находится под давлением, а исполнительный механизм дозирования находится прямо в форсунке. Во-вторых, быстродействие электронной форсунки настолько высока, что она способна обеспечивать предвпрыск топлива, а основную подачу раздробить на несколько частей, чем обеспечить практически любой требуемый закон и характеристику подачи в обеспечение наиболее полного сгорания топлива. Более того, система Common Rail (CRDi) способна вводить корректировку подачи топлива по цилиндрам и такой процесс называется самоадаптацией системы. Измеряя ускорения коленчатого вала, ЭБУ способен увидеть, какой цилиндр развивает наименьшее или наибольшее ускорение по сравнению с другими и на основании этого принимает решение об увеличении или понижении цикловой подачи топлива в соответствующий цилиндр (в определенных разумных пределах), тем самым выравнивая ускорение вращения коленчатого вала от воздействия набегающего крутящего момента. Если система выпуска двигателя снабжена каталитическим устройством, обеспечивающим требования по снижению выбросов вредных веществ с отработавшими газами, ЭБУ, в отдельных случаях, способен за счет дополнительной поддачи топлива на такте расширения поддерживать температурные условия протекания каталитических реакций.

Принимая во внимание сказанное, можно утверждать, что электронные системы в обозримом бедующем займут главенствующее положение в конструкциях судовых двигателей, как это уже произошло в двигателях автомобильного транспорта.

Л е к ц и я № 10

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДВС

Как уже отмечалось ранее, кроме главных систем, без которых принципиально не возможно функционирование двигателя, в конструкцию двигателя включаются ряд систем, которые обеспечивают для двигателя «наиболее комфортные условия существования», а именно проведение запуска, реверса и останова, улучшение экологических характеристик, плавное регулирование мощностных и др. характеристик и пр.

Рассмотрим, какие устройства и элементы конструкции обеспечивают запуск поршневого двигателя. Для того чтобы двигатель безаварийно запустился, необходимо привести в рабочее состояние все системы двигателя, обеспечивающие его работоспособность, а именно: подать масло в систему смазки, произвести наполнение цилиндра свежим зарядом, обеспечить подачу топлива и, что самое главное, создать в цилиндре условия, при которых произойдет уверенное самовоспламенение топливовоздушной смеси. В подавляющем большинстве случаев, это достигается при проворачивании с определенной частой вращения коленчатого вала двигателя, которую называют пусковой частотой вращения. За всю историю развития двигателестроения, систем запуска разработано не мало. В основном их можно разделить по виду использованной для прокрутки двигателя энергии на: электростартерные, в которых для создания пусковой частоты вращения коленчатого вала используются электрические двигатели; на инерционные, когда для раскрутки коленчатого вала двигателя используется кинетическая энергия вращающейся массы; запуск двигателя за счет использования энергии вспомогательного пускового малоразмерного ДВС и, наконец, пневматические системы запуска с использованием для проворачивания коленчатого вала энергии сжатого воздуха.

Наибольшее распространение в СЭУ находят системы электростартерного и пневматического запуска двигателя. Электростартерная система запуска двигателя состоит из следующих элементов: источника напряжения (обычно кислотный аккумулятор с большим разрядным током), пускового реле и высокооборотного электрического коллекторного двигателя (обычно постоянного тока). Основным элементом электростартерной системы пуска двигателя является специальный электрический двигатель – стартер. На валу стартера устанавливается шестерня, которая в момент включения прокрутки двигателя вводится в зацепление с шестерней, обычно напрессованной или закрепленной на маховике двигателя, имеющей название зубчатый венец маховика. Для того чтобы двигатель после запуска не смог вращать ротор стартера (поскольку минимальные обороты холостого хода всегда превышают пусковые) и тем самым вызвать аварийную ситуацию в стартере, шестерня стартера устанавливается на вал двигателя через систему фрикционов или через обгонную муфту (механизм Бендикса).

Шестерня стартера вводится в зацепление при помощи так называемого втягивающего реле, которое одновременно является силовым коммутирующим реле, подающим напряжение на обмотки стартера. Сердечник втягивающего реле является подвижной подпружиненной деталью, к которой крепится рычаг – вилка, перемещающая шестерню стартера по оси вала и, тем самым, вводящая в зацепление шестерню с зубчатым венцом маховика. Причем перемещение шестерни с механизмом обгонной муфты производится по специальным спиральным направляющим, изготовленным на хвостовике вала ротора стартера, которые обеспечивают некоторое вращение самой шестерни, препятствующее попадание зуба ведущей шестерни на зуб ведомой. Кроме этого, обмотка втягивающего реле состоит из двух частей. Одна из обмоток запитывается полным напряжением, а вторая подсоединяется одним полюсом к обмоткам стартера. Таким образом, при выдаче напряжения на втягивающее реле (до замыкания силовых контактов) под воздействием слабого тока (обмотка является ограничительным сопротивлением) ротор стартера начинает медленно вращаться, тем самым, создавая дополнительную подстраховку в плане препятствия попадания зуба на зуб и обеспечивая плавное зацепление шестерен. В конце хода сердечника втягивающего реле происходит замыкание силовых контактов, и стартер начинает прокрутку коленчатого вала двигателя. После запуска двигателя напряжение с втягивающего реле снимают, и сердечник под воздействием пружины возвращается в исходное положение, выводя из зацепления шестерню стартера и размыкая силовые контакты (отключая стартер).

Рассматривая проблемы запуска дизельного двигателя нельзя не упомянуть о том аспекте проблемы, что уверенный запуск двигателя может быть произведен только при условии создания в камере сгорания условий, необходимых для самовоспламенения топлива. При запуске холодного двигателя, сжатие свежего заряда цилиндра производится в цилиндре с холодными стенками. А это означает, что в конце такта сжатия при пусковой прокрутке двигателя условия в камере сгорания могут не обеспечивать уверенное самовоспламенение топлива ввиду значительных потерь тепла в стенки камеры сжатии – сгорания. Особенно эта проблема усугубляется в двигателях малой размерности, когда площади камеры сгорания относительно велики по сравнению с текущим объемом цилиндра (ведь площадь поверхности, в принципе, пропорциональна квадрату диаметра, а объем – кубу). Поэтому для гарантированного создания условий в камере сгорания, обеспечивающих уверенное воспламенение цикловой подачи топлива, в систему запуска вводится подсистема подогрева заряда цилиндра. Она может включать в себя пусковые электрические свечи накаливания, устанавливаемые прямо в камере сгорания двигателя, и запитываемые через специальный контроллер пусковых свечей. Также может использоваться предпусковой подогрев воздуха во впускном коллекторе либо электрическими нагревательными элементами, либо запальными свечами с форсунками - дозаторами, подающими в свечу топливо и организующими в таких свечах каталитическое сгорание.

Пневматический запуск двигателя рассмотрим на примере цилиндрового пуска. Система подразумевает наличие источника сжатого (до давления порядка 1.5…3.5 МПа) воздуха – компрессора с аккумулятором – баллонами со сжатым воздухом, золотникового распределителя, вращение которого синхронизировано с вращением распределительного вала двигателя, пусковых самосрабатывающих или управляемых пусковых клапанов и арматуры – трубок и запорных клапанов.

Система работает следующим образом. При подаче воздуха к распределителю важно, чтобы один из цилиндров двигателя находился в определенной фазе рабочего хода. Это автоматически достижимо для четырехтактного двигателя с числом цилиндров не менее 6. Для четырехцилиндрового двигателя, возможно, потребуется корректировка положения вручную. Распределитель выдаст сжатый воздух на тот цилиндр, поршень которого готов произвести расширение заряда цилиндра и находится в положении начала такта расширения (рабочего хода). Сжатый воздух, открыв самосрабатывающий пусковой клапан, поступает в цилиндр и оказывает давление на поршень. Поршень начинает перемещаться в цилиндре, тем самым, приводя во вращение коленчатый вал двигателя. Затем, провернувшийся золотник распределителя, откроет доступ воздуха в следующий цилиндр и т.д., пока коленчатый вал двигателя не достигнет пусковых оборотов. После запуска двигателя подача воздуха к распределителю прекращается.

Для двигателей с большим объемом цилиндра оказывается крайне затруднительно и не целесообразно пропускать весь объем воздуха, необходимого для запуска, через распределитель. Поэтому в качестве пусковых клапанов используются пневмоуправляемые клапаны, а через распределитель подается только управляющий воздух. Очевидно, что в этом случае, сжатый воздух для запуска двигателя подводится непосредственно к пневмоуправляемым пусковым клапанам отдельными магистралями большого сечения, минуя, распределитель. Необходимо отметить, что система пневматического запуска должна обеспечивать до 6 попыток пуска двигателя без пополнения запасов сжатого воздуха.

Когда МОД или СОД работает непосредственно на винт фиксированного шага, то для обеспечения хода судна «назад», он должен быть реверсивным, т.е. способным изменять направление вращения коленчатого вала. Эти проблемы решает система реверса. И, хотя лидирующее положение в конструкциях пропульсивного комплекса все больше занимают системы с винтом регулируемого шага, в которых проблемы реверсирования вращения коленчатого вала двигателя отпадают, коротко остановимся на особенностях работы и конструкции этих систем.

Принципиально, для того, чтобы изменить направление вращения винта не обязательно изменять направление вращения коленчатого вала двигателя, как такового, а достаточно поменять вращение вала гребного винта. Для этого можно между фланцем съема мощности (маховиком) двигателя и валопроводом установить реверсивную муфту или реверс-редукторную передачу. Такие схемы реверсирования находят применение на относительно небольших по мощности СЭУ, особенно при использовании ДПО и ВОД, когда одновременно требуется понижение частоты вращения валопровода относительно частоты вращения фланца съема мощности двигателя. Наиболее простыми в работе и использовании являются механические реверсивные устройства, в которых за счет изменения передаточного отношения в шестернях редуктора, возможно, изменять частоту вращения выходного вала редуктора, а при использовании дополнительной шестерни, можно изменить направление вращения выходного вала.

Если мы вспомним историю развития СЭУ, то первый отечественный теплоход, танкер озерного типа «Вандал» имел электропривод для возможности реверсирования и в таком случае главный двигатель превращается в дизель-генератор. При таком способе реверсирования вала гребного винта, главный двигатель, работая на генератор, вырабатывает электроэнергию, которая приводит во вращения электродвигатель, вал которого соединен с гребным валом судна. А реверсирование электродвигателя не вызывает больших затруднений.

Для реверсирования вращения вала гребного винта может быть использована гидропередача. В этом случае вся энергия, вырабатываемая главным двигателем, потребляется гидравлическим насосом, а гребной вал вращает гидромотор.

К сожалению, все вышеперечисленные устройства не способны полностью передать всю мощность двигателя на винт, т.е. имеют некоторый КПД, отличный от единицы. Следовательно, топливная экономичность такой СЭУ будет определяться, кроме всего прочего и КПД передачи, понижая тем самым, КПД всего пропульсивного комплекса. Эта проблема, кроме того, усугубляется тем фактом, что все передаточные звенья в линии валопровода обладают своими показателями надежности и имеют право на отказ, а также имеют определенные массогабаритные характеристики, которые отражаются на массогабаритных характеристиках всей установки (особенно когда требуется передача значительных мощностей). Избежать всех этих недостатков позволяет система реверсирования, заложенная в конструкцию самого двигателя.

Для того чтобы реверсировать двигатель и изменить направление вращения коленчатого вала двигателя требуется: во-первых, обеспечить возможность изменять направление вращения коленчатого вала при пусковой прокрутке двигателя, во-вторых, «научить» работать все системы двигателя при измененном направлении вращения приводов.

Главная задача, которую решает механизм реверсирования, это обеспечение таких фаз газораспределения, которые позволят двигателю изменить направление вращения коленчатого вала. Для этого, на распределительном вале механизма газораспределения необходимо иметь два комплекта кулачков, имеющих требуемый угол заклинки на валу. Тогда для реверсирования двигателя нужно подвести к толкателям клапанов механизма газораспределения кулачки для работы «назад». Это достигается за счет перемещения распределительного вала специальным устройством в осевом направлении. Для того чтобы толкатели механизма газораспределения (которые подпружинены клапанными пружинами) смогли легко и безударно переместиться на соседний кулачек для обеспечения требуемых фаз газораспределения при реверсивном вращении, на кулачках достаточно выполнить конусные заходы.

Для того чтобы изменить направление вращения коленчатого вала двигателя при пусковой прокрутке (если двигатель оснащен системой пневматического пуска), используется второй пусковой распределитель воздуха, который будет задействован при осевом перемещении распределительного вала ГРМ и обеспечит требуемый порядок подачи воздуха по цилиндрам для работы двигателя с измененным направлением вращения коленчатого вала.

Таким образом, при прямом реверсировании четырехтактного двигателя необходимо двигатель остановить, после чего переместить распределительный вал ГРМ в положение «реверс» и запустить двигатель.

Возникает вопрос: а как поведут себя приводные насосы систем двигателя при изменении направления вращения приводного вала? Что касается насоса системы смазки, то обеспечить его реверсирование просто. Для этого достаточно ввести в конструкцию корпуса насоса дополнительные магистрали и установить в магистралях самого насоса невозвратные самосрабатывающие клапана, которые позволят развязать магистрали всасывания и нагнетания и поменять местами полости всасывания и нагнетания при изменении направления вращения приводного вала. Попутно отметим, что наличие таких клапанов повышают сопротивляемость системы смазки против дренажирования.

Топливный насос высокого давления также должен быть приспособлен к изменению направления вращения кулачкового вала. Для блочного насоса вопрос реверсирования вращения решается просто. А именно, профиль кулачка может быть задан таким образом, чтобы он оказался симметричным относительно ВМТ. В этом случае, при правильном выставлении угла опережения подачи топлива, реверсирование не нарушает угол опережения, и ТНВД способен успешно работать и при измененном направлении вращения коленчатого вала. При использовании в конструкции столбиковых насосов высокого давления для каждого цилиндра, привод их осуществляется от распредвала и в этом случае потребуется использование вторых кулачков, как и для привода клапанов.

Самым простым оказывается реверсирование двухтактного двигателя с петлевой продувкой цилиндров. Поскольку этому двигателю не требуется механизм газораспределения, то он может реверсироваться просто изменением направления вращения при запуске.

Далее проведем рассмотрение вспомогательных систем, которые обеспечивают экологичность поршневого ДВС. Начнем рассмотрение с системы вентиляции картера. Системой это можно называть с натяжкой, тем не менее, она выполняет очень важную функцию. Эта система препятствует образованию течей масла через уплотнения за счет создания пониженного давления (разрежения) в подпоршневом пространстве объема масляного поддона и картера двигателя. Когда мы говорили о цилиндро-поршневой группе, то в числе прочих ее функций выделяли основную – уплотнение рабочего объема цилиндра и камеры сгорания от утечек рабочего тела. Оказывается, что в нормально работающем двигателе, ЦПГ выполняет эту функцию не на все 100%, а, как принято считать, на 98%. Это значит, что 2% от рабочего тела, участвующего в протекании внутрицилиндровых процессов, неизбежно проникает в подпоршневое пространство и способно создавать там избыточное давление. Избыточное давление в картере двигателя способно вызывать течи масла через любые уплотнения тех полостей, где присутствует масляный туман. Для того чтобы этого не происходило, подпоршневое пространство через маслоотделитель соединяют с впускным трактом, в котором всегда возникает некоторое разрежение при работе двигателя. Причем не обязательно отбор картерных газов производится из картера двигателя, очень часто вентиляцию картера выполняют через крышку клапанного механизма. В этом случае происходит проток масляного тумана через клапанный механизм, тем самым, обеспечивая дополнительную смазку последнего.

Необходимо отметить, что расход картерных газов является важным диагностическим параметром работы двигателя, поскольку определяет общее состояние цилиндро-поршневой группы. Увеличенный расход (более 2% от расхода воздуха через двигатель) свидетельствует об увеличенном износе деталей ЦПГ.

Следующая система, на которой необходимо остановиться – система рециркуляции отработавших газов. На практике нередко можно встретить аббревиатуру EGR, именно так сокращается название системы на английском языке. Как уже неоднократно отмечалось, ввиду качественного регулирования смеси в дизельном двигателе, коэффициент избытка воздуха в двигателе в зависимости от режима работы изменяется в достаточно широком диапазоне. Поскольку на режимах частичных нагрузок и холостого хода, коэффициент избытка воздуха значительно превышает минимально требуемый для сгорания, то избыточное количество воздуха в цилиндре двигателя будет провоцировать излишне динамичное сгорание цикловой подачи топлива в цилиндре. Известно, что динамичность цикла определяется фактором динамичности, который определяется отношением количества топлива, поданного за период задержки самовоспламенения топлива ко всей цикловой подаче топлива. Поскольку на режимах частичной нагрузки, температура заряда несколько ниже, чем на режиме полной мощности, а цикловая подача топлива оказывается меньшей, чем на номинальном режиме, уместно предположить, что фактор динамичности цикла на частичных режимах оказывается большим, чем на номинальном режиме работы. Исходя из этого, динамичное быстрое сгорание топлива в камере сгорания, как следует из законов термодинамики, будет однозначно связано с резким увеличение температур в цикле. При этом, азот, который присутствует в воздухе, начинает окисляться, образуя оксиды азота NО_x. При резком понижении температуры в процессе расширения, происходит закалка оксидов азота и избыточное количество NO_x поступает на выпуск двигателя. Оксиды азота являются вредными побочными продуктами сгорания, способными вызывать аллергические реакции у человека, а также оказывать вредное воздействие на окружающую среду. Для того чтобы обеспечить в цилиндре такие условия, которые бы не провоцировали избыточное образование вредных выбросов в атмосферу, к свежему заряду цилиндра подмешивают некоторое количество отработавших газов. Это повышает температуру свежего заряда и одновременно понижает содержание в свежем заряде цилиндра кислорода (т.е. коэффициент избытка воздуха снижается). Таким образом, можно понизить фактор динамичности цикла и сократить образование и выброс оксидов азота на режимах частичных нагрузок. Именно в этом и заключается основное назначение системы рециркуляции отработавших газов, которая позволяет обеспечивать все более ужесточающиеся требования ИМО.

Система рециркуляции отработавших газов состоит из клапана рециркуляции, который устанавливается на впускной магистрали двигателя и соединен с выпускным коллектором. На определенных режимах работы двигателя клапан автоматически открывается, и к свежему заряду цилиндра начинают подмешиваться отработавшие газы из выпускного коллектора. Количество отработавших газов, поступающих через клапан рециркуляции, определяется рядом параметров: режимом работы (положением органа регулирования), температурным состоянием двигателя (температурой охлаждающей жидкости в системе охлаждения), температурой воздуха, поступающего в цилиндр и др.

Последнее, о чем обязательно нужно упомянуть, рассматривая конструкцию и назначение систем поршневого ДВС, это система автоматического регулирования, управления и защиты двигателя. Невольно, рассматривая функционирование систем двигателя, мы уже рассмотрели часть подсистем системы автоматического регулирования (САР). А именно, мы уже знаем, каким образом термостатами регулируются температуры в системе смазки и охлаждения, также мы рассматривали, как за счет использования редукционных клапанов регулируется давление в системе смазки и системах ВТО.

Подсистема автоматической защиты двигателя контролирует самые важные параметры, отвечающие за безаварийную работу двигателя, такие как: давление масла, температура рабочих сред, обороты двигателя и др. В случае выхода параметров за допустимые пределы, система защиты производит выдачу сигнала аварийного состояния на пульт управления. А в отдельных случаях производит аварийную остановку двигателя, если дальнейшая эксплуатация может нанести непоправимый ущерб силовой установке.

В самом простом случае, в качестве первичных датчиков системы используются уже знакомые нам манометрические термометры, которые в результате расширения специального вещества в замкнутом объеме вызывают удлинение сильфонов, которые, в свою очередь замыкают контакты включателей исполнительных аварийных устройств защиты двигателя. Аварийный останов двигателя производится либо за счет отключений подачи топлива, либо подачи воздуха на двигатель. Также сильфоны используются в системе защиты по давлению. Система защиты по превышению частоты вращения коленчатого вала двигателя в качестве первичного датчика использует систему подпружиненных грузиков, известную, как механизм Уатта. При превышении частоты вращения, вращающиеся грузики измерителя расходятся под воздействием центробежных сил и замыкают контакты включения исполнительного устройства.

Отдельным пунктом рассмотрим механические системы регулирования и поддержания частоты вращения коленчатого вала современного дизельного двигателя. Очевидно, что работа двигателя всегда происходит с некоторым изменением нагрузки (разные изменяющиеся условия плавания, постоянно изменяющаяся нагрузка на дизель-генераторах и т.д.). Но при этом топливный насос высокого давления двигателя не может «знать» об этом. И, следовательно, будет обеспечивать постоянную цикловую подачу топлива в цилиндры, т.е. обеспечивать постоянную мощность двигателя. Но ведь мощность двигателя есть ни что иное, как произведение крутящего момента на частоту вращения коленчатого вала двигателя. Крутящий момент двигателя на стационарном режиме всегда скомпенсирован моментом сопротивления. Таким образом, при постоянном значении мощности, выдаваемой двигателем, изменение нагрузки однозначно будет связано с изменением частоты вращения КВ. Хорошо, если нагрузка возрастает, тогда двигатель просто начнет «терять обороты» или «проседать» по частоте вращения. А вот если произойдет внезапный сброс нагрузки, тогда вся энергия от сгорающего топлива будет затрачиваться только на преодоление сил трения и сил инерции в двигателе, а частота вращения коленчатого вала двигателя начнет бесконтрольно возрастать. Такое явление называют «разносом» и оно способно повлечь за собой крайне серьезные разрушения в механизмах двигателя. Именно для того, чтобы избежать таких неблагоприятных режимов работы, а также для поддержания постоянной частоты вращения, в конструкцию двигателя вводят специальный механизм, который называется регулятором частоты вращения коленчатого вала двигателя. Схема простейшего регулятора частоты вращения представлена на рис. 10.1.

Рис.10.1. Регулятор частоты вращения коленчатого вала дизельного двигателя

Основной элемент регулятора частоты вращения это измеритель частоты вращения коленчатого вала двигателя в виде уже упомянутого механизма Уатта. Вращение грузиков измерителя синхронизировано с вращением коленчатого вала, причем передача вращения осуществляется через демпфирующее устройство для того чтобы на измеритель не передавалась неравномерность вращения коленчатого вала. Грузики измерителя в виде рычагов расположены на осях траверсы. Центробежные силы, действующие на вращающиеся грузики, компенсируются воздействием главной пружины задания регулятора, нагружающей другую сторону рычага грузиков через упорный подшипник. В этом случае сила затяга пружины определяет заданную частоту вращения. Если в такой схеме втулку упорного подшипника соединить с органом управления ТНВД, например, рейкой то мы получим простейший регулятор частоты вращения. При работе регулятора, действующие центробежные силы грузиков постоянно сравниваются с силой затяга пружины на упорном подшипнике. Таким образом, в случае увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя, увеличенные центробежные силы грузиков регулятора вызовут некоторое перемещение упорного подшипника, преодолевая силу затяга пружины регулятора. Перемещение упорного подшипника изменит положение рейки ТНВД, которая уменьшит подачу топлива в цилиндры двигателя. Тем самым частота вращения понизится, а грузики займут опять такое положение, при котором действие центробежных сил будет компенсироваться силой затяга пружины регулятора. В результате двигатель после отклонения (заброса) частоты вращения КВ вернется к работе на исходной частоте вращения коленчатого вала (или иной, в зависимости от настройки регулятора). Аналогично отработает регулятор и в случае понижения числа оборотов. Для того чтобы изменить уставку частоты вращения, нужно изменить затяг пружины регулятора. Схем регуляторов существует достаточно много. Не останавливаясь на деталях, отметим, что регуляторы могут быть всережимными (когда регулирование осуществляется во всем рабочем диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя), однорежимными (регулирование производится на одном выбранном режиме, например, у дизель-генератора) и двухрежимными (регулирование производится только на режимах минимальных и максимальных частот вращения коленчатого вала, а между указанными режимами оператор воздействует непосредственно на рейку ТНВД, эти регуляторы, в основном, находят применение на автотранспортных двигателях). Регуляторы прямого действия применяются тогда, когда усилия от измерителя достаточно для перемещения органа управления подачей ТНВД, в противном случае в конструкцию регулятора включают усилитель.

На смену вышеописанным системам автоматического регулирования все больше приходят электронные системы регулирования. Как отмечалось ранее, электронные системы способны проводить как самоадаптацию, так и самодиагностику. Такие системы позволяют произвести тестирование всех систем и выявить коды системой ошибок, которые подлежат устранению оператором. Не представляет особой сложности и создание электронных регуляторов частоты вращения коленчатого вала, поскольку в качестве первичных сигналов в ЭБУ, в том числе, вводится сигнал с датчика частоты вращения коленчатого вала. После соответствующей обработки по установленным в процессоре программам, ЭБУ выдает управляющий сигнал на исполнительный механизм регулирования цикловой подачи топлива.

Л е к ц и я № 11