Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (1)
.pdf220 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
АГ*
Jg#,
Рис. 15.9. Двухплунжерные топливные насосы высокого давления
(левый плунжер изменяет угол опережения, а правый - отмеривает величину цикло вой подачи; 1 - наполнение, 2 - перепуск, 3 - подача, 4 - отсечка)
хлопных газов и в первую очередь содержанию в них окислов азота. Если в двигателях раннего поколения увеличение мощности шло по пути увеличения числа оборотов, то в новом поколении форсировка идет по пути увеличения р е за счет наддува. Это позволило фирме при организации рабочего процесса использовать концепцию Мюллера. Ее суть заключается в раннем закрытии впускных клапанов, при котором происходит уменьшение эффектив ности процесса сжатия - давления и темпе ратуры воздуха в конце сжатия уменьшают ся. В итоге температуры на протяжении все го процесса сгорания на режимах полных на
ВМТ |
грузок удерживаются достаточно низкими, и |
|
|
!Г Ж |
это существенно снижает образование NOr |
Второй путь, используемый фирмой для |
|
снижения высоких температур сгорания, со |
|
стоит в смещении начала и последующего |
|
|
сгорания на начало процесса расширения |
|
(рис. 15.10). Первая диаграмма соответству |
-90 -60 -30 О 30 60 90 120 |
ет обычно принятой организации сгорания |
ВМТ |
топлива. Вторая диаграмма показывает нали |
Рис. 15.10. Перенос |
чие более высокой степени сжатия, но макси |
сгорания на линию |
мальное давление сгорания остается практи |
расширения |
чески равным давлению сжатия. |
Гл. 15. Обзор конструкций современных судовых дизелей |
221 |
||
Расширение образующихся про |
|
|
|
дуктов сгорания начинается сразу же |
I '1ЧфЛпКг.ч1Трессор |
||
за ВМТ, и продолжительность перио |
( |
|
|
да повышенных температур и образо |
|
||
вания NOх таким образом существен |
1 |
|
|
но сокращаются. Этот метод исполь |
Впрыс* |
|
|
зуется в двигателях «Вяртсиля 46». |
|
||
Совершенно новой является раз |
воды |
|
|
|
7~ |
||
работка фирмы в области снижения |
|
||
М ^ (р и с . 15.11). |
Улавливатель вод. тумана |
||
Выход увлажн. воздуха |
|||
Задача предлагаемой установки |
|||
Рис. 15.11. Увлажнитель |
|||
WETPAC состоит в увлажнении воз |
|||
духа, подаваемого в рабочие цилинд |
воздуха WETPAC |
||
ры. Этим достигается снижение тем |
|
|
|
ператур сгорания и образования NOr |
Предварительно |
сжатая вода |
|
впрыскивается в воздух, поступающий из ГТК. Благодаря высокой тем пературе воздуха вода испаряется, и она в виде пара поступает в рабо чие цилиндры.
На выходе из WETPAC установлен улавливатель находящейся в жидкой фазе воды, так как она может интенсифицировать процессы коррозии рабочих поверхностей цилиндра. WETPAC не входит в стан дартную комплектацию двигателя и поставляется по дополнительно му соглашению.
Двигатель «ВЯРТСИЛЯ 20»
Параметры:
D = 200 мм, S = 280 мм, п = 720-1000 об/мин. Nецил = 130-165 кВт; р е = 22,5-24,6 бар; i = 4-9; p z = 165-175 бар.
В отличие от ранее выпускавшихся моделей фирма пошла на сни жение частоты вращения при одновременном повышении среднего эффективного давления, и это позволило одновременно с рядом конст руктивных усовершенствований адаптировать новый модельный ряд к использованию тяжелых топлив при одновременном повышении мо торесурса.
Во избежание сернистой коррозии поднят уровень температур рабочей поверхности втулок цилиндров.
Втулки отлиты из сфероидального графита, обладающего высо кой износостойкостью. Во избежание полировки цилиндра нагаром, откладывающимся на боковых стенках поршней и вызывающим мест
222 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
ные износы и увеличение расхода масла, в верхней части втулки встав ляется антиполировочное кольцо.
Поршни композитного типа со стальной головкой и тронком, от литым из износостойкого сфероидального графита.
Исследования показали, что этот материал наилучшим образом удовлетворяет требованиям современных двигателей, работающих в условиях высоких давлений и температур в камере сгорания. Малые потери на трение обеспечиваются применяемой «Вяртсиля» подачей масла на тронк непосредственно через отверстия в тронке (см. рис. 15.13).
! |
ф |
f -I |
\ |
р .г .р о шигателя |
• |
’ |
|
.. ■■ |
«Нярюиля 20» |
Гл. 15. Обзор конструкций современных судовых дизелей |
223 |
Известно, что 70-80% потерь на трение в поршневых двигателях приходится на трение поршней. Этим объясняется, что фирма пошла на сокращение количества уплотнительных колец до двух и покрытия их специальным антифрикционным составом. Отложения нагара в ка навках поршневых колец отрицательно сказывается на их ресурсе. Что бы этого избежать, нужно обеспечить необходимый баланс давлений над и под каждым кольцом. Как показали исследования фирмы, этому балансу способствует снижение числа колец до двух.
Поскольку максимальное давление в цилиндрах достигает 200 бар, верхняя половинка шатунного (мотылевого) подшипника выполняется без маслораспределительной канавки и благодаря применению косого разъема увеличен диаметр шейки. Это позволило увеличить толщину масляной пленки, хорошо противостоять высоким нагрузкам. Анало гично увеличены размеры шеек коленчатого вала. В тронковых двига телях ранних моделей при работе на тяжелых топливах имела место коррозия подшипников. Чтобы этого избежать, в новом поколении двига телей в подшипниках применяются коррозионно-стойкие материалы.
В топливовпрыскивающей аппаратуре все элементы высокого дав ления рассчитаны на 2000 бар при рабочем давлении не более 1500 бар. ТНВД золотникового типа с регулированием по концу подачи. Фор сунки неохлаждаемые, но для противостояния износам при высоких температурах подвергнуты специальной термообработке.
Турбонагнетатели импульсного типа, при числе цилиндров свы ше шести применяются конвертеры.
Двигатель «Вяртсиля 64» |
|
Параметры: Рядные двигатели |
У-образные |
D = 640 мм |
640 мм |
S = 900 мм |
770 мм |
Nе цил. = 2010 кВт |
1940 кВт |
р е = 25-25,5 бар |
22-23,5 бар |
Двигатели моделей 32, 38, 46 и 64 имеют сходные конструктив ные решения. Ниже показаны основные решения, принятые в двигате лях В64. Упоминавшееся ранее решение подвода масла на смазку тронка поршня иллюстрируется рис. 15.13.
Как видно из рис. 15.14, мощный развитый фланец втулки обеспе чивает ей высокую прочность и жесткость, способность противосто ять высоким давлениям в цилиндре, достигающим 200 бар. Охлаждаю щая вода входит в радиальные отверстия в нижней части фланца и поднимается вверх по вертикальным сверлениям до верха фланца.
224
Рис. 15.13. Организация подвода масла на тронк поршня и охлаждение верхнего пояса втулки
Судовые двигатели внутреннего сгорания
Антиполир. кольцо
Г
Ш я Ш Г
■VL
Рис. 15.14.
Подвод масла |
Охл. каналы |
на тронк |
во втулке |
Положение сверле ний рабочей поверхности втулки выбрано таким об разом, чтобы ее темпера туры исключали лако- и нагарообразование и в то же время минимизирова ли сернистую коррозию при работе на тяжелых топливах.
Охлаждение крышки цилиндра организовано также с помощью сверлений, способствующих интенсификации охлаждения огневого днища и седел выхлопных клапанов (рис. 15.15).
Шатуны двигателей большой размерности с нижней головкой мор ского типа, что позволяет увеличить диаметр мотылевого подшипника и одновременно обеспечит выем шатуна через цилиндр. Верхняя го ловка шатуна ступенчатого типа с развитой нижней, в основном, рабо чей поверхностью головного подшипника (рис. 15.16).
Рис. 15.15.
Охлаждение
крышки
цилиндра и
седла
выхлопного
клапана
Гл. 15. Обзор конструкций современных судовых дизелей |
225 |
Распределительный вал разделен на секции (рис. 15.17), отдель ные для каждого цилиндра. Это упрощает его демонтаж и при необхо димости заменять те секции, кулачки которых требуют замены.
С 2000 г. фирма «Вяртсиля» перешла на топливные системы акку муляторного типа, предоставляющие неограниченные возможности по настройке процесса впрыска в соответствии с режимом работы двига теля, что обеспечивает высокую экономичность и низкий уровень эмис сии выхлопных газов в широком диапазоне оборотов и нагрузок, вклю чая переходные режимы и режимы малых оборотов.
Двигатели оборудованы газотурбокомпрессорами с высокой производительностью, способными обеспечить давление наддува до 4,5 бар. Сжатый воздух направляется в воздухоохладитель, в котором в качестве охладителя используется пресная вода, применяемая для ох лаждения цилиндров. В отличие от обычно используемой в воздухоох ладителях забортной воды, в рассматриваемом варианте исключается коррозия трубок охладителя. На входе воздуха в ресивер установлен влагоотделитель. ГТК работают при постоянном давлении, в отличие от моделей двигателей малой размерности выпускные газы направля ются в один общий коллектор.
15-3283
226 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
Двигатель ZA40S («Вяртсиля-Зульцер»)
Производство двигателей Z-40 было начато фирмой «Зульцер» в 1967 г., первоначально это были 2-тактные двигатели с цилиндровой мощностью 440 кВт, в середине 70-х годов двигатель был модифици рован в 4-тактную конструкцию, цилиндровая мощность была поднята до 530-550 кВт при р е= 18,24 бар и п = 600 об/мин.
В 1987 г. был увеличен ход поршня с 480 мм до 560 мм. При 510 об/мин ир е= 22,1 бар цилиндровая мощность увеличилась до 660 кВт. Удельный расход топлива в двигателях Z-40 составлял 214 г/кВтч, в двигателе ZA-40 был снижен до 191 г/кВтч. В последней модификации (длинноходном двигателе) - ZAS-40 (рис. 15.18) ge = 181 г/кВтч, при чем эти расходы топлива гарантируются для тяжелых топлив с вязкос тью до 700 сСт.
При модернизации двигателя степень сжатия потребовалось увели чить, чтобы поднять тем пературы в конце сжатия и тем самым улучшить условия воспламенения тяжелых топлив. Макси мальное давление сгора ния р в ранних моделях двигателей составляло 132 бар, в последних мо делях за счет увеличения степени сжатия p z подня то до 150-155 бар.
Нужно отметить, что проблеме экономичности работы в зоне малых на грузок разработчиками уделялось большое вни мание, так как с самого начала двигатели этого ряда создавались для ис пользования на паромах, круизных судах, ледоко лах, буксирах, где суще ственную долю времени
Гл. 15. Обзор конструкций современных судовых дизелей |
227 |
занимают долевые нагрузки. Поэтому в двигателях была реализована идея «VIT», обеспечивающая при уменьшении нагрузки сохранение Pz на достаточно высоком уровне путем увеличения угла опережения по дачи топлива с помощью косой кромки на плунжере ТНВД.
Наличие двухступенчатого воздухоохладителя позволяет осуще ствлять подогрев наддувочного воздуха на режимах малых нагрузок, что также улучшает работу двигателя в этих условиях.
При переходе на малые нагрузки был организован перепуск части наддувочного воздуха в поток поступающих в ГТК газов.
Использование высокоэффективного турбокомпрессора VTR4A предопределило наличие избытка воздуха на нагрузках свыше 85% от номинала (MCR). Это позволило ограничить рост максимального дав ления в цилиндрах путем ограничения роста давления в ресивере страв ливанием излишнего воздуха в атмосферу.
К конструктивным особенностям двигателя прежде всего необхо димо отнести оригинальное решение соединения поршня с шатуном, верхней головке которого придана сферическая форма. Это в сопос тавлении с традиционным решением, основанным на использовании поршневого пальца, дает следующие преимущества:
►увеличивается опорная поверхность, соответственно снижают ся удельные давления в головном подшипнике;
►непосредственная передача механических нагрузок от сил дав ления газов на головное соединение исключает обычно имею щую место деформацию поршня в зоне бобышек и юбки, что, в свою очередь, позволяет избежать необходимости придания поршню бочкообразной формы, уменьшить зазор между пор шнем и втулкой цилиндра;
►уменьшение зазора, в свою очередь, снизило динамические уда ры поршня по втулке, вызывающие ее упругую деформацию и как следствие - кавитационные разрушения;
►поршень с помощью встроенного в верхнюю головку храпово го механизма при каждом отклонении шатуна поворачивается относительно своей оси. Вращение поршня обеспечивает бо лее равномерный износ его юбки и поршневых колец, исклю чается овализация износа.
Обычно смазка ЦПГ 4-тактных тронковых двигателей осуществ ляется маслом, поступающим путем разбрызгивания из кривошипной камеры, и единственным и не всегда достаточным средством регули рования количества масла, остающегося на поверхности цилиндра в зоне колец, являются маслосъемные кольца.
15*
228 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
Гораздо надежнее смазка поршневой группы осуществляется при принудительной и, что важно, регулируемой подаче с использованием лубрикаторов. Это решение, хорошо зарекомендовавшее себя в двух тактных двигателях фирмы, применено и в двигателях Z40.
В привод лубрикатора встроен механизм, позволяющий изменять подачу масла в зависимости от нагрузки и тем самым уменьшать его расход на частичных нагрузках. От лубрикатора масло подводится по трубкам к нижней части втулок цилиндров, по сверлениям поднимает ся вверх и выводится на рабочую поверхность в зазор между поршнем
ивтулкой. Принудительная подача позволила переместить маслосъем ное кольцо в нижнюю часть юбки и расположить его в зоне, где втулка цилиндра при всех положениях поршня практически не изнашивается,
иэто, естественно, существенно улучшает условия работы кольца и
|
Сфер, палец |
Традиционный палец |
вращающийся поршень |
* |
|
Маслосъемное,
кольцо
|
.Маслосъемное |
|
кольцо |
Смазка |
Смазка |
разбрызгиванием |
под давлением |
Рис. 15.19. Поршень со сферической головкой
Гл. 15. Обзор конструкций современных судовых дизелей |
229 |
его износ. Отмеченные мероприятия стабилизировали и уменьшили расход масла до 0,7-1,5 г/кВтч.
Поршень составной, головка охлаждается маслом, поступающим из верхней головки шатуна. В последней модификации ранее суще ствовавшие полости охлаждения заменены на сверления, обеспечив шие интенсификацию охлаждения за счет взбалтывания в них масла (коктейльный эффект).
Асимметричная деформация поршней даже при придании им боч кообразной формы нередко при перегрузках является причиной задиров ЦПГ.
Головной подшипник трехслойный. Основа - стальная, подшип никовый сплав - свинцовистая бронза, рабочий слой (РЬСи - Sn) и поверхностное тонкое покрытие РЫп.
Остов двигателя, как это реализуется в большинстве конструкций среднеоборотных двигателей, представляет собой чугунный литой моноблок, с подвесным коленчатым валом. Втулки цилиндров имеют развитые высокие фланцы, охлаждение которых осуществляется во дой, движущейся с большой скоростью по сверлениям, в которые встав лены теплоизолирующие трубки, что позволяет избежать переохлаж дения рабочей поверхности во избежание сернистой коррозии и в то же время удерживает температуру по всей высоте фланца в диапазоне 125-175°С. Большая часть втулки цилиндра, расположенная в блоке, омывается наддувочным воздухом и не охлаждается, что исключает попадание воды в картерное пространство. В последней модификации двигателя крышка цилиндра, ранее имевшая конструкцию с двойным днищем, заменена на крышку с одним толстым, сверленым днищем. Это позволило снизить температуры и, главное, обеспечить более рав номерное их распределение и, соответственно, меньшие деформации днища. Выигрыш - меньшая вероятность появления в днище трещин, и, что чаще встречается, существенно сокращаются деформация (ко робление) седел клапанов, потеря плотности посадки клапанов и их прогорание. Интенсивное охлаждение крышки в районе клапанов по зволило отказаться от вставных корпусов клапанов. Седла выхлопных клапанов вставные, охлаждаемые, и температура посадочной поверх ности тарелки клапана лежит в пределах 360 390°С, температура в центре тарелки 500°С. Клапаны изготовлены из нимоника (никеле вый сплав).
Шатуны морского типа, в качестве антифрикционного сплава в мотылевых и рамовых подшипниках используется сплав алюминия с 20% олова. В эксплуатации отмечались случаи фреттинг-коррозии