Анализ работы длинноходовых двигателей

Дизели серии L-GF имеют большее отношение S/D. Увеличение хода поршня S компенсировало снижение частоты вращения на 20 % и позволило сохранить на прежнем уровне цилиндровую мощность. В середине 1970-х годов как следствие энергетического кризиса резко стала расти стоимость нефтяного топлива, что явилось причиной интенсивных исследований в области разработки более экономичных по расходу топлива судовых дизелей.

Фирма «Бурмейстер и Вайн» в 1976 г. построила первые длинноходовые дизели серии L-GF, в 1978 г. заменила импульсный турбонаддув на турбонаддув постоянного давления. Постепенным переходом с одной марки дизеля на более совершенную фирма достигла впечатляющих по экономичности дизелей результатов. Так, снятием с производства дизеля типа К-GF и переходом на выпуск дизеля L-GBF достигнуты относительные сбережения топлива 26 %.

В 1982 г. были выпущены дизели L-МС/МСЕ как добавочная серия к дизелям типа GВ, с увеличенной длиной хода поршня, повышенным максимальным давлением цикла и низкой номинальной частотой вращения. Дизели серии МС положительно зарекомендовали себя на мировом рынке двухтактных дизельных двигателей. По данным фирмы МАН — «Бурмейстер и Вайн» доля этих дизелей составляет более 50 %. Три варианта длинноходовых машин объединенной фирмы (L-МС, S-МС, К-МС) охватывают 13 типов дизелей мощностью 1176— 45 617 кВт при частоте вращения соответственно 200—60 об/мин.

Фундаментная рама состоит из продольных и сварных поперечных балок с опорами для подшипников из стального литья. Остов представляет собой сварную конструкцию высокой жесткости. Фундаментная рама 7, остов и блоки цилиндров соединены анкерными связями. Ресивер 5 наддувочного воздуха вместе с диафрагмой охлаждается водой, что способствует большей безопасности эксплуатации дизеля. Коленчатый вал 6 является либо сварным, либо (традиционно) частично составным, с коленами из кованой стали и рамовыми шейками — из холоднокатаной.

В конструкции дизелей МС применяют сравнительно короткие шатуны, поршни охлаждаются маслом. Головка поршня 4, рассчитанная на повышенное давление рг, выполнена из хромомолибденовой стали. Рабочие втулки цилиндров традиционной конструкции обладают высокой и зносостой костью. Крышка S цилиндра откована из стали, отличается легкостью демонтажа.

Распределительный вал приводит в действие топливные насосы и выпускные клапаны 1. приводится от коленчатого вала традиционным цепным приводом (2 — турбокомпрессор). Выпускные клапаны имеют гидропривод, предусмотрено устройство для их свободного проворачивания. Клапанное гнездо охлаждается водой. Форсунки неохлаждаемого типа, их температура регулируется циркулирующим топливом, сопла выполнены стеллитовыми и имеют достаточно большой срок службы.

Перспективы развития судовых дизелей, и экономии топлива.

С 1973 по 1979 г. стоимость нефтяных топлив на мировом рынке возросла в 10 раз. Что привело к резкому увеличению доли затрат на топливо в обшей сумме расходов по эксплуатации судна с 10—12 до 50—60 % на судах Мин. Морфлота топливная составляющая в связи с относительно низкой стоимостью топлив. Топливная составляющая суммы затрат по эксплуатации непосредственно двигателя достигает 80 %. Эти обстоятельства заставили принимать радикальные меры к уменьшению расходов топлива. Были использованы два пути: уменьшение скорости судов и соответствующее снижение мощности энергетических установок при совершенствовании пропульсивного комплекса, достигаемого, в частности, снижением частоты вращения гребного винта и увеличением его диаметра; повышение экономичности энергетической установки.

Начиная с 1980г. фактор экономичности приобрел приоритетное направление в развитии судового дизелестроения. Здесь основное внимание было уделено снижению удельного расхода топлив и масел, применению низкосортных, дешевых тяжелых топлив и повышению КПД энергетической установки в целом путем наиболее полной утилизации теплоты выпускных газов, охлаждающей воды и пр.Требованиям высокой экономичности наиболее полно удовлетворяют малооборотные двигатели.

Стремление повысить пропульсивный КПД гребного винта привело к необходимости понижения частоты вращения двигателя до 70—75 об/мин. Выигрыш в КПД составил 4—7 %. Чтобы компенсировать потерю мощности двигателя, вызванную снижением частоты вращения, двигателе строители пошли по пути увеличения отношения хода поршня к диаметру до 2,9 в двигателях Зульцер КТА и до 3,82 в двигателях Бурмейстер и Вайн 5МС. Это позволило увеличить не только рабочий объем цилиндров, но и высоту камеры сгорания, что положительно отразилось на экономичности рабочего процесса, но только двигателей с прямоточной схемой газообмена. Увеличение отношения S/D>2,2-7-2,4 в двигателе с контурной схемой газообмена - вызывает ухудшение продувки верхней части цилиндра, поэтому вместо ожидаемого роста экономичности цикла отмечается ее падение. Этим в значительной мере объясняется тот факт, что в течение последнего десятилетия двигатели с петлевыми и поперечными схемами газообмена, выпускавшиеся такими известными фирмами, как «Зульцер», МАИ, «Фиат», были вытеснены с мирового рынка двигателями с прямоточной схемой газообмена. При этом фирма МАH, прекратив выпуск дизелей, слилась с фирмой «Бурмейстер и Вайн», а фирма «Зульцер» перешла на выпуск прямоточных дизелей ряда КТА.

Совершенствование дизелей, помимо увеличения отношения S/D и улучшения процессов газообмена, шло также в направлении увеличения давлений наддува, применения газотурбинного надува при постоянном давлении перед турбиной, повышения КПД турбокомпрессоров до 68-72 %, увеличения давления впрыскивания до 150 МПа, улучшения организации рабочего процесса. В итоге достигнуто увеличение среднего эффективного давления в малооборотных дизелях до 1,68 МПа и снижение удельного расхода топлива до 159 г/(кВт-ч). Существенное влияние на рост экономичности оказывает увеличение отношения, давлений р_г1ри которое в двигателях Бурмейстер и Вайн—МАН достигло 9,5 (р. = 16 МПа).

Двигатели с диаметром цилиндра более 90 см не выпускаются, хотя ранее строились дизели с диаметром 98 и 105 см. Наибольшая цилиндровая мощность малооборотных дизелей нового поколения составляет 3940 кВт, что в 12-цилиндровом агрегате обеспечивает мощность 47 280 кВт.

Вторую многочисленную группу дизелей составляют четырехтактные среднеоборотные дизели с наддувом, применяемые на судах в качестве вспомогательных и главных.

Совершенствование среднеоборотных дизелей также тесно связано с ростом форсирования рабочего процесса надувом. Если в 1940 г. среднее эффективное давление достигло 0,4-0,5 МПа, в 1960 г. 1,0-1,2 МПа, то в 1987 г. -2,5 МПа (серийные двигатели), а мощность двигателей без изменения размеров цилиндров и частоты вращения возросла в 4-5 раз. Одновременно были усовершенствованы конструкции и повышена надежность. В последнее десятилетие основное внимание уделялось экономичности дизелей. Удельные расходы топлива сокращены с 200 - 215 до 180 г/(кВт-ч) главным образом благодаря совершенствованию рабочего процесса, топливной аппаратуры (повышение давления впрыскивания, обеспечение необходимой тонкости распыливания тяжелых топлив, применение устройств регулирования фаз топливоподачи и пр.) и системы турбо надува. Работы велись в направлении повышения КПД газовой турбины и компрессора, совершенствования впускного и выпускного трактов, в том числе оптимизации фаз открытия впускных и выпускных клапанов. Расход топлива у двигателя МАН 52/55 в 1969 г. составлял 200 г/(кВт-ч), перевод двигателя с импульсной системы наддува на наддув при постоянном давлении обеспечивающий более полное использование энергии газов, дал снижение расхода топлива на 5,5 г/(кВт-ч); следствием повышения КПД турбокомпрессора и давления р_г а также улучшения процессов впрыска и распыливания топлива явилось дальнейшее снижение удельного расхода топлива до 175 г/(кВт-ч). С достижением р_е = 1,5 -г-1,6 МПа традиционно применяемая в четырехтактных двигателях система импульсного наддува стала заменяться на систему наддува при постоянном давлении, либо, как это делает фирма «СЕМТ-Пилстик», на систему с преобразователями импульсов, обеспечивающую лучшее по сравнению с первой использование энергии газов на частичных нагрузках.

Применяемое фирмами «Зульцер» и «СЕМТ-Пилстик» повышение температуры воды на выходе из дизеля способствует увеличению индикаторного и механического КПД _мех. Так, выигрыш в снижении удельного расхода топлива в двигателе Пилстик PC 4 составляет 2,7 г/(кВт- ч). В противоположность МОД отношение S/D в четырехтактных СОД сократилось с 1,4 до 1,05—1,1 при пропорциональном увеличении частоты вращения. Это было вызвано стремлением уменьшить размеры и массу двигателя, но при этом сохранить большую жесткость конструкции двигателя, особенно коленчатого вала.

Снижение отношения S/D влечет за собой и недостатки: при сохранении степени сжатия е = const, камера сжатия становится более плоской, что затрудняет распределение факела топлива в ее объеме и организацию качественного сгорания. При сохранении средней скорости поршня c_m- const увеличение частоты вращения влечет за собой рост сил инерции и вызываемых ими нагрузок на детали конструкции, одновременно сглаживаются нагрузки на подшипники. Увеличение пропульсивного КПД гребного винта не является препятствием к повышению частоты вращения СОД, так как их используют на судах в комплексе с редуктором/

Рост форсирования рабочего процесса наддувом сопровождается увеличением тепловых потоков, передаваемых через стенки камеры сгорания в охлаждающую воду, и температур деталей ЦПГ, в первую очередь элементов, которые образуют камеру сгорания, они испытывают наибольшие тепловые нагрузки. Не менее важное значение приобретают механические нагрузки, вызываемые увеличением давления газов в цилиндрах. В двигателях последних модификаций оно составляет 13—15 МПа.

Чтобы сохранить температурные напряжения на достаточно низком уровне и тем самым обеспечить надежность работы ЦПГ, необходимо согласно выражению увеличение удельного теплового потока компенсировать уменьшением толщины стенок.

При снижении толщины б, как и при увеличении диаметра цилиндров и форсирования двигателя наддувом, повышаются механические напряжения деталей. Поэтому для снижения тепловой и механической напряженности детали ЦПГ современных дизелей подкрепляют ребрами, а иногда детали расчленяют на отдельные элементы для распределения нагрузок между ними. При этом вну­тренние части, образующие полость камеры сгорания, воспринимают тепловые, а внешние части - механические нагрузки. При таком распределении функций внутренние теплонапряженные элементы конструкций представилось возможным выполнить более тонкостенными, что позволило существенно уменьшить действующие в них температурные градиенты и напряжения (например, кон­струкция верхней части втулки цилиндра двигателя К076 с охватывающим ее силовым кольцом).

Тепло напряженность деталей снижают и другим способом (в двигателях последних модификаций). Охлаждающую воду приближают к тепло воспринимаемым поверхностям путем использования каналов, рассверливаемых в головках поршней, крышках цилиндров и буртах втулок, что одновременно существенно снижает механические напряжения. В связи с ростом механических нагрузок большое внимание уделяют жесткости конструкций и обеспечению минимальных деформаций. В первую очередь это относится к остовам, деталям кривошипно-шатунного механизма и ЦПГ.

Основные положения МК МАРПОЛ-73/78 и СОЛАС-74/78