2462

Цетановый индекс (способность топлива самовоспламеняться) отличается от цетанового числа тем, что определяется расчетным путем, а не экспериментально. Индекс и цетановое число примерно равны друг другу.

В табл. 3.2 приведены характеристики четырех судовых остаточных (тяжелых) топлив согласно ГОСТ 32510–2013 (мазутам). Обозначаются буквами RM, цифрами указано максимальное значение кинематической вязкости при 50 оС. В требованиях к данным топливам указано допустимое значение сероводорода, натрия, алюминия, кремния, ванадия.

Таблица 3.2

Требования к судовым дистиллятным (легким) топливам согласно ГОСТ 32510–2013

Втабл. 3.3 приведены характеристики четырех судовых остаточных (тяжелых) топлив согласно ГОСТ 32510–2013 (мазутам). Обозначаются буквами RM, цифрами указано максимальное значение кинематической вязкости при 50 оС. В требованиях к данным топливам указано допустимое значение серы, сероводорода, натрия, алюминия, кремния, ванадия.

Втабл. 3.4 приведены характеристики еще четырех судовых топлив согласно ГОСТ 32510–2013 (тяжелым мазутам). Обозначаются буквами RM, цифрами указано максимальное значение кинематической вязкости при 50 оС. Вязкость топлив высокая (380 – 700 мм2/с) и требует обязательного подогрева с целью ее снижения до требуемых значений, при которых обеспечивается хорошее распыливание форсунками.

161

Таблица 3.3

Требования к судовым остаточным (тяжелым) топливам согласно ГОСТ 32510–2013 (мазутам)

162

3.4. Особенности конструктивного исполнения топливных насосов высокого давления судовых дизелей

Конструктивное исполнение топливных насосов высокого давления (ТНВД) зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. По частоте вращения двигатели классифицируются следующим образом:

1)малооборотные двигатели (МОД) – с частотой вращения от 50 до 250 мин-1;

2)среднеоборотные двигатели (СОД) – с частотой вращения от

250 до 1300 мин-1;

3)высокооборотные двигатели (ВОД) – с частотой вращения свыше 1300 мин-1.

На конструкцию ТНВД дополнительное влияние оказывают максимальная величина среднего эффективного давления в цилиндре (МОД – 1,9 МПа; СОД – 2,8 МПа; ВОД – 3,0 МПа), номинальная мощность двигателя, число и расположение цилиндров, цикловая подача топлива, вид топлива (дизельное или мазут), диаметр цилиндра, вид камеры сгорания, способ смесеобразования, техническая характеристика форсунок.

В настоящее время 20 зарубежных фирм работают в области судового дизелестроения. Главными фирмами по выпуску судовых двигателей являются МAN (Германия), B&W Diesel (Дания) [47]. К основным видам деятельности следует отнести разработку, производство, техническое обслуживание судовых дизельных двигателей и агрегатов на их базе:

– двухтактных дизелей (МОД) морского исполнения мощностью от 1000 до 70 000 кВт;

– судовых (СОД) мощностью от 450 до 16 800 кВт;

– судовых дизель-генераторных мощностью от 430 до 4 125 кВт. Число цилиндров от 4 до 12.

Судовые МОД фирмы MAN B&W достигают большой мощности, массы и габаритных размеров. Для обеспечения цилиндровой мощности 5800 кВт диаметр плунжера насоса высокого давления должен быть не менее 50 мм. На рис. 3.6 приведена погрузка судового двигателя MAN B&W12-К-98-МС мощностью 70 000 кВт и его габаритные размеры в сравнении с ростом человека.

Некоторые российские дизелестроительные предприятия, используя зарубежный опыт по конструированию и эксплуатации, приобретают лицензионное право производства современных моделей дизелей и агрегатов на базе ведущих мировых фирм. Это, например, ОАО «БМЗ» (г. Брянск), которое в течение нескольких десятилетий выпускает судо-

163

вые малооборотные двигатели фирмы МAN B&W (Дания, Германия). Цилиндровая мощность данных двигателей от 1310 до 4880 кВт, диаметр цилиндра от 46 до 90 см, частота вращения от 76 до 129 мин-1, число цилиндров от 4 до 8.

Рис. 3.6. Погрузка судового двигателя

MAN B&W 12-К-98-МС мощностью 70 000 кВт

Финская фирма Wartsila Diesel является одной из крупнейших изготовителей СОД и ВОД. Это международная группа компаний, располагающая производством в Голландии, Испании, Норвегии, Финляндии, Франции, Швеции. Выпускает двигатели с частотой вращения коленчатого вала от 1600 до 1800 мин-1, мощностью от 690 до 34 900 кВт, с числом цилиндров от 6 до 18. Выпускает двигатели Vasa 20, W20 (20 – это диаметр поршня в см), 26, 32, 38, 46, 64.

Швейцарская фирма Sulzer выпускает четыре модели четырехтактных СОД:

–S20 мощностью от 460 до 1 440 кВт с частотой вращения от

720 до 1000 мин-1;

–АТ25 мощностью от 700 до 4 900 кВт с частотой вращения от

720 до 1000 мин-1;

–ZA40S мощностью от 4 500 до 13 500 кВт с частотой вращения

510 мин-1;

164

– ZA50S мощностью от 7 200 до 21 600 кВт с частотой вращения 450 мин-1. Цифра в условном обозначении двигателя указывает на диаметр поршня в см.

Принцип работы ТНВД судовых дизелей не отличается от работы автомобильных или тепловозных дизелей. Главной задачей является подавать к форсункам под высоким давлением строго определенные порции топлива в нужное время относительно верхней мертвой точки (ВМТ) поршня дизеля. Отличие заключается в том, что цилиндровая мощность малооборотного судового двухтактного дизеля, например МAN B&W 6S60MC, при частоте вращения коленчатого вала 105 мин-1 достигает 2250 кВт, а цикловая подача топлива равна 64 см3, что в 50 раз больше, чем у тепловозного дизеля 8ЧН 26/26 с цилиндровой мощностью 124 кВт при частоте вращения коленчатого вала 750 мин-1. Диаметр плунжера насоса дизеля 8ЧН 26/26 равен 18 мм, а у МAN B&W 6S60MC – 57 мм.

Увеличение диаметра плунжера в 3,0 раза приводит к повышению габаритных размеров и массы насоса высокого давления судовых двигателей.

На судовых двигателях большой мощностью (до 70 000 кВт) применяют вспомогательные двигатели (дизели-генераторы). Ими могут быть тепловозные двигатели Коломенского завода, двигатели КамАЗ, ЯМЗ или других заводов-изготовителей.

На рис 3.7 показан общий вид насоса высокого давления фирмы MAN с золотниковым регулированием цикловой подачи и изменением угла опережения впрыска топлива. Топливо под низким давлением поступает (указано стрелкой) по горизонтальному каналу, а затем по полости впуска поднимается к всасывающему (обратному) клапану (он расположен в верхней части насоса).

Такая схема подвода топлива обеспечивает равномерный прогрев плунжерной пары во время перевода с дизельного топлива на тяжелое (мазут), что уменьшает вероятность заклинивания плунжера [47].

Количество поданного топлива (цикловая подача) регулируется путем поворота плунжера, что изменяет его активный ход. Зубчатая рейка (нижняя) при поступательном движении вращает зубчатую поворотную втулку, в пазы которой входит крестовина плунжера. Таким образом, вместе с вращением втулки поворачивается плунжер на определенный угол.

Угол опережения впрыска топлива регулируется второй дополнительной (верхней) зубчатой рейкой. Применение зубчатого механизма с резьбой позволит перемещать втулку плунжера (вверх или вниз). Пере-

165

мещение втулки обеспечивается имеющейся на ее наружной поверхности винтовой резьбы, входящей в зацепление с зубчатой резьбовой втулкой. Зубчатая втулка входит в зацепление с зубчатой верхней рейкой. Рейки управляются автоматически программой, заложенной в регулятор оборотов двигателя.

При опускании втулки плунжер раньше перекроет впускное отверстие, в результате чего насос начнет раньше подавать топливо, увеличивая тем самым угол начала впрыскивания топлива в камеру сгорания рабочего цилиндра. При подъеме втулки плунжера угол опережения впрыска топлива уменьшается.

Рис. 3.7. Топливный насос высокого давления типа MAN

с золотниковым регулированием цикловой подачи и изменением угла опережения впрыска топлива

Для изменения угла опережения впрыска топлива применяется механизм, который способен увеличивать или уменьшать угол наклона оси ролика относительно оси плунжера. Изменяются начало подъема

166

плунжера (время контакта кулачка с роликом толкателя плунжера) и начало впрыска топлива.

В насосе высокого давления судового дизеля 8ДКРН 74/160-2 угол опережения впрыска топлива относительно ВМТ поршня изменяется следующим образом (рис. 3.8). Между роликом толкателя плунжера 5 и кулачковой шайбой 2 привода вала насоса размещают промежуточный ролик 3 качающегося рычага 6 [4].

На втором конце рычага выполнено отверстие, в котором расположен эксцентрик 7. При повороте эксцентрика качающийся рычаг 6 перемещается в горизонтальном направлении. Рычаг 6 вместе с роликом 3 движутся навстречу вращающемуся кулачку. Подъем плунжера начнется раньше, что увеличит угол опережения впрыска топлива, это очень важно при переходе питания дизеля на тяжелое топливо (мазут). При повороте эксцентрика можно изменять угол опережения впрыска топлива и подбирать его оптимальное значение.

Условное обозначение судового дизеля 8ДКРН 74/160-2 следующее: 8 – число цилиндров; Д – двухтактный; К – крейцкопфный; Р – реверсивный; Н – с наддувом; 74/160 – диаметр цилиндра и ход поршня в см. Крейцкопф – ползун. Цилиндровая мощность 1300 кВт, цикловая подача 38,5 г, диаметр и ход плунжера 45/69 мм.

Рис. 3.8. Устройство для изменения угла опережения впрыска топлива судового дизеля Брянского машиностроительного завода 8ДКРН 74/160-2:

1 – кронштейн; 2 – кулачковая шайба; 3 – промежуточный ролик рычага; 4 – корпус насоса; 5 – ролик толкателя плунжера; 6 – рычаг качающийся; 7 – эксцентрик

167

Основные детали и узлы индивидуального насоса высокого давления показаны на рис. 3.9.

Количество топлива, поданного за цикл, регулируется изменением активного хода плунжера путем его поворота. Этот способ регулирования количества топлива, поданного насосом, называется отсечкой в конце подачи. При повороте плунжера изменяются положение винтовой отсечной (косой) кромки наклонного паза относительно отверстия отвода топлива, величина активного хода плунжера и количество поданного топлива.

Рис. 3.9. Топливный насос высокого давления

Поворот плунжера происходит при помощи зубчатой рейки, соединенной с рычагом органа управления. Рейка соединяется при помощи зубчатого венца с плунжером. Поворот плунжера осуществляется зубчатым сектором с втулкой, имеющей паз, в который входит плунжер.

Для смазки толкателя и ролика под давлением подводится моторное масло. В некоторых ТНВД под давлением масла дополнительно смазывается нижняя часть плунжера. Верхняя часть плунжера смазывается утечками топлива, которые возникают при повышении давления над плунжером, скапливаются в проточке втулки и отводятся в линию низкого давления.

168

Для реверсивных судовых дизелей кулачковые шайбы (кулачки) рекомендуется выполнять вогнутого профиля, а не выпуклого, как в других дизелях. Применение таких кулачков на двигателях с прямоточ- но-клапанной продувкой дает возможность устанавливать один распределительный вал для насоса и для выпускных клапанов. При реверсе двигателя эти кулачковые шайбы поворачиваются в одну сторону [45].

На рис. 3.10 показаны разрезы топливных насосов высокого давления с золотниковым регулированием цикловой подачи судовых двигателей различных фирм. Конструктивное исполнение насосов позволяет подавать топливо к одной форсунке или двум (рис. 3.10, б).

Рис. 3.10. Топливные насосы высокого давления с золотниковым регулированием цикловой подачи:

а – TBD 645 фирмы Deutz MWM; б – Wartsila 46; в – MaK 32C;

г – MAN L16/24 (Германия);

1 – роликовый толкатель; 2 – шток толкателя; 3 – плунжер; 4 – возвратная пружина; 5 – втулка поворота плунжера с зубчатым сектором;

6 – втулка плунжера; 7 – зубчатая рейка управления подачей топлива; 8 – противокавитационное демпфирующее устройство; 9 – нагнетательный клапан:

10 – наполнительные (сливные) окна; 11 – крышка насоса; 12 – реверсивный клапан; 13 – присоединительный штуцер (отверстие) трубопро-

вода высокого давления; 14 – присоединительное отверстие трубопровода высокого давления вспомогательной форсунки; 15 – нагнетательный клапан магистрали высокого давления вспомогательной форсунки

169

Для повышения мощности двигателя увеличивают цикловую подачу топлива. Если серийный ТНВД не в состоянии повысить подачу топлива (например, с 200 до 500 мм3/цикл), то обычно увеличивают диаметр плунжера и его активный ход. Увеличение диаметра плунжера приводит к повышению его площади, увеличению силы от давления топлива и повышению контактных напряжений в паре «кулачок–ролик» толкателя плунжера. Для снижения контактных напряжений до допустимых значений увеличивают диаметр ролика и ширину кулачковой шайбы (увеличивают площадь контакта).

3.5. Расчет диаметра и хода плунжера судового дизеля

Расчетным путем определим диаметр плунжера и его ход топливного насоса высокого давления судового двухтактного шестицилиндрового дизеля МAN B&W 6S60MC-С с диаметром цилиндра 60 см и мощностью 13 500 кВт.

Для режима номинальной мощности цикловую подачу топлива в мм3 для дизеля МAN B&W 6S60MC-C определим по формуле [52]

qе – удельный эффективный расход топлива, 170 г/(кВт·ч); i – число цилиндров, 6; nн – частота вращения вала насоса, 105 мин-1; ρТ – плотность топлива (мазута) 0,95 г/см3 (950 кг/м3).

Расчеты показали, что общая цикловая подача топлива (для двух

Обозначим отношение полного (геометрического) хода плунжера hп к диаметру плунжера dп через величину m, которая может лежать в пределах 1,0 – 1,5.

Диаметр плунжера выбирается с учетом величины максимальной цикловой подачи топлива [1]. Плунжерные пары должны обеспечивать двигатель топливом на всех режимах работы, особенно на режиме пуска:

170