Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (1)

И. В. Возницкий , А . С. Л унда

СУДОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

ПРЕДИ СЛО ВИ Е

За последние два десятилетия в судовом двигателестроении произошли радикальные изменения. Разработаны систе­ мы топливоподачи, позволяющие осуществлять гибкое регу­ лирование процессов впрыска топлива применительно к кон­ кретным режимам работы двигателя.

Внедряются системы электронного управления двигате­ лями, еще больше расширяющие возможности воздействия на рабочий процесс в цилиндрах.

Дальнейшая форсировка двигателей путем газотурбин­ ного наддува позволила повысить среднее эффективное дав­ ление в малооборотных двигателях с 15 до 20 бар, макси-- мальное давление при этом увеличилось до 125 бар. Сущест­ венно снизился удельный расход топлива - с 214 до 163 г/кВтч. В среднеоборотных 4-тактных двигателях среднее эффектив­ ное давление возросло до 27 бар, максимальное давление се­ годня составляет 165-175 бар.

Ресурс среднеоборотных двигателей (до моточистки) уве­ личился до 24 ООО часов, в малооборотных двигателях про­ должительность работы до моточистки увеличилась в три раза и составляет три года. Значительное внимание уделялось сни­ жению эмиссии вредных составляющих выхлопных газов.

Отмеченные достижения, естественно, повлекли за со­ бой серьезные изменения в конструкции двигателей, и в пер­ вую очередь были найдены и внедрены новые решения в орга­ низации охлаждения цилиндропоршневой группы, организа­ ции и управлении топливоподачей (внедрены гидроприводы ТНВД и насос-форсунок, аккумуляторные системы топливо­ подачи, электронное управление топливоподачей).

Глава Ж

ВВЕДЕНИЕ В К У РС ДВС

Первый работоспособный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) сконструировал в 1860 г. французский инженер Эжен Ленуар. Это был двухтактный ДВС, работавший на газе с воспламенением от электри­ ческой искры. Спустя 16 лет немецкий инженер Николас Отто создал четырехтактный газовый двигатель, который расходовал в два раза меньше газа.

Процесс широкого внедрения ДВС на транспортных судах начал­ ся после изобретения в 1892 г. немецким инженером Рудольфом Дизе­ лем двигателя внутреннего сгорания с воспламенением топлива от сжатия. Такие ДВС принято называть по имени изобретателя «дизеля­ ми». Первый надежно работавший двигатель, построенный Р. Дизелем (1896 г.), работал на керосине, распыляемом форсункой с помощью подаваемого в нее сжатого воздуха высокого давления (такие дизели называли «компрессорными»). Мощность этого одноцилиндрового дизеля составляла всего 15 кВт при КПД 26%, что было существенно выше, чем КПД паровой машины.

В1899 г. в Санкт-Петербурге по патенту Р. Дизеля был построен первый в России двигатель, который работал на сырой нефти и имел КПД 28%. Эта дата считается началом дизелестроения в России.

Вразвитие и внедрение дизелей на водном транспорте существен­ ный вклад внесли российские дизелестроители. В 1903 г. Сормовский завод построил первый в мире теплоход «Вандал», на котором были установлены три четырехтактных дизеля конструкции завода «Русский Дизель» (ранее этот завод, располагавшийся в Санкт-Петербурге, име­ новался «механическим заводом Людвига Нобеля») мощностью 88 кВт каждый. Первые в мире крупные теплоходы были построены на рус­ ских верфях и имели в качестве главных двигателей дизели, произве­ денные в России. В 1911 г. в Дании был построен первый крупный оке­ анский теплоход «Зеландия», который эксплуатировался почти 30 лет.

Впоследующие годы количество построенных морских судов, имеющих дизельные энергетические установки, постоянно возраста­ ло. Количество теплоходов возросло от 1,3% в 1920 г. до 25% в 1939 г. (общий тоннаж возрос за этот период с 4% до 60% вследствие увеличе­ ния их дедвейта).

Втечение всего XX века наблюдалось повышение дедвейта судов, особенно танкеров, рудовозов и контейнеровозов. Возрастали также скорости движения судов. Это потребовало существенного увеличе­ ния мощности главной энергетической установки. В 50-х годах макси­ мальная мощность одного дизеля не превышала 15 мВт, поэтому круп­ нотоннажные и высокоскоростные суда оборудовались паросиловыми установками (главный двигатель - паровая турбина), хотя их КПД не превышает 32% (дизели в указанный период имели КПД до 45%).

Развитие дизелестроения, применение наддува и переход с ди­ зельных топлив на более дешевые тяжелые сорта привели к тому, что к концу XX века дизель занял лидирующее положение на морском транс­ порте. В настоящее время мощность малооборотных крейцкопфных дизелей достигла 70 мВт, а КПД - 50% и более.

§ 1.1. Основные определения и

классификация ДВС

Основой большинства двигателей внутреннего сгорания (ДВС) служат рабочий цилиндр и кривошипно-шатунный механизм, которые преобразуют тепловую энергию сгорания углеводородного топлива в механическую работу. Кривошипно-шатунный механизм преобразует полезную работу поступательного перемещения поршня в крутящий момент на коленчатом валу, передаваемый потребителю энергии - греб­ ному винту, электрическому генератору или любому другому потреби­ телю механической работы.

По способу смесеобразования ДВС подразделяются на две груп­ пы. К первой группе относятся двигатели с внешним смесеобразовани­ ем,, в которых топливо-воздушная смесь приготовляется вне цилиндра (карбюраторные и газовые двигатели с воспламенением от электричес­ кой искры). Эти двигатели на морских и речных судах не применяются из-за малой мощности, низкой экономичности и пожароопасности.

Ко второй группе относятся двигатели с внутренним смесеобра­ зованием и самовоспламенением топлива от сжатия (дизели). Дизели являются основным типом ДВС, используемых в качестве главных и

вспомогательных двигателей на судах, поэтому в дальнейшем изложе­ нии материала мы будем рассматривать только их.

По конструктивному исполнению кривошипно-шатунных механизмов (КШМ) ДВС могут иметь несколько конструктивных схем. Основные варианты исполнения судовых двигателей представлены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схемы кривошипно-шатунных механизмов ДВС:

1 - поршень; 2 - шатун; 3 - шток поршня; 4 - крейцкопф; 5 - кривошип, коленчатого вала

Двигатели, схемы которых показаны на рис. 1.1а, в и г , называют тронковыми. На рис. 1.1.6 представлена схема крейцкопфного ДВС. В тронковых ДВС шатун 2 верхней частью с помощью поршневого пальца крепится к поршню (этот узел называют головным подшипни­ ком шатуна). Нижняя часть поршня 1, называемая тронком, служит направляющей при возвратно-поступательном движении поршня в цилиндре.

В крейцкопфных ДВС верхняя часть шатуна крепится к крейц­ копфу 4, который выполняет роль направляющей для поршневой груп­ пы - штока поршня 3 и поршня 1.

Тронковый двигатель, схема которого приведена на рис. 1.1г, на­ зывают ДВС с противоположно движущимися поршнями (ПДП). Здесь, в отличие от обычной компоновки, камера сгорания образуется при сближении поршней на минимальное расстояние в середине цилинд­ ра. Верхний и нижний коленчатые валы соединены вертикальной пе­ редачей для синхронизации движения поршней и передачи мощности с обоих валов потребителю энергии.

8 Судовые двигатели внутреннего сгорания

Двигатели, схемы которых показаны на рис. 1.1а, б и г, называют однорядными, на рис. 1.1в представлен двухрядный ДВС. Могут быть и другие компоновочные схемы - многорядные или звездообразные, это в основном легкие высокооборотные дизели, используемые на су­ дах с подводными крыльями и военных кораблях.

По принципу действия судовые ДВС подразделяются на четы­ рехтактные и двухтактные. В четырехтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня (такта), при этом колен­ чатый вал совершает два оборота (720° п.к.в.), в двухтактных соответ­ ственно - два хода поршня, один оборот (360°п.к.в.). В формулах тактность отражается коэффициентом тактности —т, который равен двум для четырехтактных и единице для двухтактных двигателей.

Полезная работа, получаемая от ДВС, зависит от размеров цилин­ дра: диаметра цилиндра - D, м и хода поршня S, м и количества цилиндров - г. Мощность, развиваемая двигателем (Ne, кВт), пропор­ циональна полезной работе и частоте вращения коленчатого вала — п, об/мин. Частота вращения является внесистемной единицей, разре­ шенной к применению в технике, и связана с угловой скоростью вала (со, рад/с) соотношением: а) = тт/30.

Важными характеристиками двигателя являются: рабочий объем цилиндра Vh, м3, определяемый по формуле Vh= nD2S/4, отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D и средняя скорость поршня С , м/с, которая рассчитывается по выражению Ст= Sn/30.

Положение коленчатого вала ДВС принято выражать в угловых градусах, угол поворота коленчатого вала обозначается фРп.к.в. За на­ чало отсчета углов обычно принимают положение КШМ, соответствую­ щее верхней мертвой точке поршня (ВМТ), в этом положении шатун 2 и кривошип 5 направлены по оси цилиндра ((р = 0°п.к.в.). При поворо­ те кривошипа на 180°п.к.в. поршень займет свое крайнее нижнее поло­ жение, называемое нижней мертвой точкой (НМТ). При повороте криво­ шипа на 90°п.к.в. перемещение поршня от ВМТ должно было бы соста­ вить половину хода поршня S/2 = г, где г - радиус кривошипа коленчато­ го вала. На самом деле это перемещение будет больше (из-за отклонения шатуна от оси цилиндра) на величину так называемой поправки Брикса ОО1= гЛш/2, где Хш- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна - важная кинематическая характеристика КШМ. Величина Ашдля судо­ вых ДВС лежит в пределах 0,22-0,45. Относительно короткие шатуны (большие значения Аш) имеют современные крейцкопфные сверхдлинноходные малооборотные двигатели (с S/D до 4,0 и более). Среднеоборот­ ные тронковые четырехтактные дизели имеют S/D < 2,0 и Аш= 0,22-0,25.

По способу наполнения цилиндра воздухом ДВС подразделяют­ ся на двигатели с наддувом и без наддува. В первом случае в цилиндры при наполнении поступает воздух, предварительно сжатый до давле­ ния выше атмосферного в специальном компрессоре, во втором - на­ полнение цилиндра осуществляется воздухом при атмосферном давле­ нии. Практически все современные судовые ДВС являются двигателя­ ми с газотурбинным наддувом.

По частоте вращения коленчатого вала двигатели подразде­ ляются на:

малооборотные (МОД) с п < 300 об/мин; среднеоборотные (СОД) с 300 < п < 750 об/мин; высокооборотные (ВОД) с п > 750 об/мин.

По быстроходности ДВС также подразделяются на три группы (ме­ рой быстроходности является величина средней скорости поршня Ст, м/с):

тихоходные с 4,55 < Ст < 7,0:77 средней быстроходности с 7,0 < Ст< 10,0; быстроходные с 10,0 < Ст< 15,0.

По назначению судовые двигатели подразделяются на главные и вспомогательные. На крупнотоннажных морских судах в качестве глав­ ных двигателей устанавливают, как правило, малооборотные крейцкопфные дизели. Эти двигатели являются реверсивными, т.е. их конст­ рукция предусматривает возможность изменять направление враще­ ния коленчатого вала. Это необходимо для обеспечения заднего хода судна при прямой передаче мощности на гребной винт фиксированно­ го шага (ВФШ). Четырехтактные тронковые среднеоборотные дизели, наоборот, как правило, выполняют нереверсивными, так как они ис­ пользуются в качестве главных на судах с винтом регулируемого шага (ВРШ), судах с электродвижением или в качестве вспомогательных двигателей, во всех перечисленных случаях изменять направление вра­ щения коленчатого вала не требуется.

§ 1.2. Маркировка судовых дизелей

Обозначение дизелей в РФ производится в соответствии с ГОСТ 10150-88. Согласно этому документу марка содержит цифры и заглав­ ные буквы русского алфавита. Цифра перед буквами обозначает число цилиндров, набор последующих букв - характеристику двигателя, пос­ ледующая за буквами цифра - диаметр цилиндра в сантиметрах, затем через указатель дроби - ход поршня в сантиметрах.