Устройства и конструкция ДВС

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС)-это поршневые тепловые двигатели, в которых сгорание топлива и превращение тепловой энергии в механическую происходит непосредственно внутри рабочего цилиндра. Рабочим телом в этом случае является смесь газов, образующихся при сгорании топлива. Расширяясь в цилиндре, газы давят на поршень, который, перемещаясь под давлением газов вниз, с помощью шатуна передает движение коленчатому валу; последний преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное, передаваемое гребному валу с насаженным на него гребным винтом. В верхней части цилиндра размещается распределительный механизм, состоящий из клапанов с приводами и предназначенный для обеспечения всасывания воздуха и выпуска отработавших газов. Неподвижная часть ДВС на которую опираются цилиндры, называется станиной. Станина, в свою очередь, опирается на фундаментальную раму, Нижняя часть станины вместе с фундаментальной рамой образует картер. Рабочий процесс, совершающийся в цилиндре ДВС, состоит из последовательно сменяющих друг друга процессов всасывания воздуха в цилиндр, сжатия воздуха в цилиндре, впрыска топлива, воспламенения и расширения горячих газов в цилиндре (рабочий ход) и выхлопа отработавших газов.

Если один рабочий процесс двигателя совершается за четыре хода поршня из одного крайнего положения в другое (сверху вниз и наоборот), то такой двигатель называют четырехтактным, если за два хода-двухтактным.

Охлаждение двигателя двухконтурное с автоматическим поддержанием заданных температурных режимов. Охлаждение турбокомпрессоров, цилиндровых втулок и крышек, поршней и форсунок осуществляется пресной водой, а охлаждение воздухоохладителей и маслоохладителей-забортной водой. Все системы, обслуживающие главный двигатель, снабжены аварийно-предупредительной сигнализацией по давлению и температуре.

 

Рис. 83Главный двигатель

1-коленчатый вал; 2-анкерные стойки; 3-предохранительный клапан картера;

4-распорный болт крышки рамового подшипника; 5-направляющие крейцкопфа;

6-шарнирное устройство; 7-гайка штока; 8-хвостовик штока; 9-сальник штока;

10-диафрагма; 11-ресивер; 12-воздухоохладитель; 13-выпускная заслонка;

14-турбокомпрессор; 15, 18-шпильки; 16-блок цилиндров; 17-опорное кольцо;

19-крышка цилиндра; 20-вставка; 21-отливной патрубок; 22-втулка цилиндра;

23-поршень; 24-отводной трубопровод; 25-смотровое окно; 26 -телескопическое устройство; 27-подводной трубопровод; 28-шток поршня; 29-болты; 30-поперечина крейцкопфа; 31-топливный насос высокого давления; 32-канал; 33-шатун; 34-«компрессионная» прокладка;

35-отливной трубопровод; 36-анкерная связь; 37-решетка; 38-фундаментная рама.

Главный двигатель приспособлен к дистанционному управлению из рулевой рубки и ЦПУ. Установлена оригинальная пневматическая система управления фирмы «Зульцер», Кроме этого, полностью сохранена возможность непосредственного управления с нормального местного поста управления на двигателе.

Двигатель имеет контурную петлевую схему продувки, двухступенчатый импульсивный газотурбинный наддув с использованием в качестве второй ступени наддува подпоршневых полостей. Двигатель предусмотрен для работы на тяжелом топливе; Nе=5000 э. л. с. (3676 кВт), n= 135 об/мин, gе = 157 г/э. л. с ч (216 г/кВт*ч).

Остов двигателя

Остов двигателя, включающий фундаментную раму, А-образные стойки (станину) и блоки цилиндров, соединен при помощи анкерных связей в единую жесткую конструкцию и тем самым разгружает эти детали от воздействия растягивающих сил, развивающихся в цилиндре.

Примерно 70% массы двигателя приходится на массу узлов остова.

В современных ДВС остов двигателя не всегда включает все перечисленные элементы; в некоторых конструкциях они попарно образуют одну деталь, совмещающую их функции. В зависимости от состава остова двигателя можно выделить шесть основных принципиальных схем. На рисунке 86 изображена конструкция, состоящая из изготовленных раздельно фундаментной рамы, станины (картера), блока цилиндров и крышки.

Такая схема характерна для крейцкопфных малооборотных двигателей, а также для тронковых МОД большой мощности. По этой схеме выполнены все отечественные двухтактные крейцкопфные малооборотные двигатели (ДКРН 74/160 и др.), а также многие МОД зарубежных фирм («Зульцер», МАН, «Нохаб» и др.).

Некоторые современные ДВС имеют совершенно другую схему. Например, у двигателей с противоположно движущимися поршнями отсутствуют крышки, так как камера сгорания в них располагается в средней части втулки цилиндра, у двигателей Н-образной конструкции имеется своеобразный остов, обусловленный горизонтальным расположением цилиндров.

Основными элементами остова двигателя, как следует из рисунка, могут быть фундаментная рама, станина, блок цилиндров, крышка, рама-картер и моноблок. Конструкции этих элементов в современных двигателях весьма разнообразны, что обусловлено различными компоновочными схемами двигателей, количеством и размером цилиндровых втулок, и величиной действующих на них сил.

Рис. 84 Схема остова двигателя

а-разделенная фундаментальная рама 1, картер 2, блок цилиндров 3 и крышка 4;

б-совмещенные картер и блок цилиндров-блок-картер 5;

в-совмещенные фундаментальная рама и картер-рама-картер 6;

г-фундаментальная рама отсутствует, ее заменяет несущий картер 2, снизу закрытый поддоном 7;

д-фундаментальную раму заменяет несущий блок-картер 5;

е-картер 2 с поддоном 7, блок совмещен с крышкой-моноблок 8

 

Фундаментальная рама

Фундаментная рама-основание двигателя, опирающееся на судовой фундамент.

Конструкция рамы может быть цельнолитая или сварная. Фундаментальная рама сварной конструкции изготавливается из стали 25 и 30. Применение сварнолитых конструкций позволяет снизить массу раму на 20-30%, а стоимость ее изготовления на 10-20%. К судовому фундаменту раму крепят после центровки дизеля относительно оси валопровода. При этом между опорными полками рамы и фундаментом устанавливают стальные клинья или регулируемые клиновые прокладки.

Различают фундаментные рамы закрытого типа (нижняя часть рамы является масляным поддоном для сбора стекающего масла) и открытого типа (к нижней части рамы крепится отдельный поддон). Вкладыши рамовых подшипников толщиной до 15мм изготавливают из стали 25 и заливают баббитом (Б 83, Б89).

Фундаментная рама малооборотного двигателя фирмы «Бурмейстер и Вайн

Рис. 85 Фундаментальная рама малооборотного двигателя

 

Картер

Картер обычно анкерными связями соединяет цилиндры двигателя с фундаментной рамой в единую жесткую систему. Картер двигателя и рабочие цилиндры отделены друг от друга перегородкой (диафрагмой) с уплотнительными сальниками для штоков поршней. Так как двигатель имеет крейцкопфную конструкцию и соответственно малую длину рабочего хода существует возможность доступа к продувочным и выхлопным окнам при положении поршня в мертвой точке.

В боковых стенках картера делаются отверстия, закрываемые щитами, для доступа к шатунному механизму и осмотра внутренних полостей двигателя. Картер может воспринимать растягивающие и сжимающие усилия, в крейцкопфных двигателях он подвергается действию изгиба от давления на направляющую ползуна. Картер должен обладать герметичностью для паров масла и газов. При работе двигателя скапливающиеся в картере пары масла образуют взрывоопасную смесь. Для защиты двигателя от разрушения при возможном взрыве в картере устанавливается предохранительный клапан. Чтобы защитить людей при выбросе пламени во время срабатывания клапана, предусматривается устройство, исключающее поражение обслуживающего персонала. Картеры изготовляют из чугунных отливок, свариваемых стальных заготовок или алюминиевых сплавов.

 

Блок цилиндров

Цилиндры являются одним из силовых элементов остова и служат для образования полостей (вместе с поршнями и крышками), в которых осуществляется рабочий цикл дизеля.

Рабочий цилиндр двигателя состоит из рубашки и вставленной в нее втулки (гильзы). Рубашки цилиндров выполняют трех основных типов: отдельная рубашка для каждого цилиндра; рубашки одного ряда объединяются в общий цилиндровый блок; общий блок, состоящий из секций, объединяющих часть рубашек. Между рубашкой (или блоком цилиндров) и втулкой циркулирует охлаждающая вода.

Материалом для блока цилиндров (отдельных рубашек) служит чугун, сталь или алюминиевые сплавы.

Рубашка цилиндра должна обеспечивать возможность продольного и поперечного расширения втулки от нагревания. Втулки цилиндров изготовляют из стали или чугуна. Повышение износостойкости втулок достигается азотированием (стальные втулки) или хромированием (чугунные втулки) их внутренней поверхности. Для предохранения внешней стороны втулки (омываемой водой) от коррозии в полости охлаждения устанавливают протекторы.

Цилиндровые блоки (рубашки) на УПС «Профессор Хлюстин» изготовлены из чугуна СЧ24-44 и служат для посадки и направления цилиндровых втулок. Отдельные блоки соединены болтами в один жесткий общий цилиндровый блок. В блоках отлиты необходимые каналы для продувочного воздуха и выпускных газов, также для охлаждающей воды. В нижней части блока находятся сальники поршневого штока и сальники охлаждения поршней. Днище блока наклонено для облегчения стока загрязненного масла.

 

Втулка

Цилиндровые втулки вместе с поршнем и крышкой образуют полость рабочего цилиндра. Втулка воспринимает высокое давление газов и подвергается неравномерному нагреву. Для снижения тепловых напряжений втулка охлаждается водой. Для изготовления втулок обычно применяются высококачественных легированные чугуны С28-48 и С32-52

Цилиндровые втулки УПС «Профессор Хлюстин» цельные, чугунные. Верхний бурт цилиндровых втулок прижимается цилиндровыми крышками к промежуточным кольцам для улучшения охлаждения верхних частей втулок и увеличения ее подвижности в тепловом и механическом отношениях.

Втулки имеют возможность теплового удлинения вниз. Между цилиндровыми крышками и втулками имеются стальные уплотнительные прокладки. Кольцеобразные ребра верхней части цилиндровых втулок предназначены для прохода охлаждающей воды, а также для придания жесткости наиболее нагруженной части втулки. В области кругового опорного фланца цилиндровые втулки уплотнены медными кольцами со стороны выпускных газов, а со стороны охлаждающей воды теплостойкими резиновыми кольцами для предотвращения попадания охлаждающей воды из полости охлаждения втулок в подпоршневое пространство и газовые каналы.

Для смазки рабочих поверхностей цилиндровых втулок установлено восемь масляных штуцеров, расположенных по окружности. По поверхности стенок втулок масло распределяется посредством смазочных канавок. Для предотвращения попадания газов в масляные насосы (лубрикаторы) штуцера снабжены невозвратными клапанами.

Стальное опорное кольцо втулки имеет каналы для охлаждающей воды и служит дополнительным круговым укреплением ее верхней части. Опорные кольца фиксируются, на цилиндровых блоках штифтами, определяющими одновременно положение цилиндровых крышек.

Рис. 86 Конструкция цилиндровой втулки двухтактного МОД

1-выпускные окна, 2-продувочные окна

Рис. 87 Цилиндровая втулка УПС «Профессор Хлюстин»

 

Крышки цилиндров

Крышка цилиндра устанавливается на цилиндровую втулку и закрывает рабочую полость цилиндра. Она является одной из самых ответственных деталей двигателя, так как соприкасается с газами высокой температуры и испытывает силу давления газов. Поэтому крышка цилиндра должна удовлетворять требованиям жаростойкости, прочности и непроницаемости для газов. Крышки изготовляют из чугуна, стали или алюминиевых сплавов. Обычно для каждого цилиндра предназначается отдельная крышка (для двигателей небольшого размера с диаметром цилиндра менее 200 мм можно применять блок крышки на несколько цилиндров). Крышка состоит из двух днищ нижнего (соприкасающегося с газами) и верхнего, на котором устанавливаются клапаны и их приводы. Днища соединяются стенками, образующими внутри крышки каналы сложной конфигурации.

По конструкции крышки делятся на цельные и составные, имеющие отдельную вставку. Составные крышки применяют в малооборотных двигателях большой мощности для снижения тепловых напряжений.

Крышки четырехтактных дизелей имеют впускные, выпускные, пусковые и предохранительные клапаны, отверстия для форсунки. У двухтактных дизелей, за исключением дизелей с прямоточно-клапанной продувкой, впускные и выпускные клапаны отсутствуют. Надежность крышки обеспечивается равномерным распределением металла по ее объему.

Цилиндровые крышки УПС «Профессор Хлюстин» состоят из двух частей: центральной чугунной клапанной вставки и непосредственно стальной крышки, которая крепится к блоку на шпильках.

Клапанные вставки крышек имеют отверстия, необходимые для размещения форсунок, пусковых, предохранительных и индикаторных клапанов. Все клапаны имеют свои корпуса и вставляются в клапанную вставку отдельно. Крышки охлаждаются пресной водой. В верхней части крышки равномерно распределены отверстия для прочистки полостей системы охлаждения.

Выходной охлаждающий трубопровод оснащен термометрами и краниками, соединенными с расширительной цистерной.

Каждый рабочий цилиндр оборудован предохранительным клапаном, предназначенным для сигнализации о развитии в цилиндре недопустимо высоких давлений. Давление срабатывания клапана устанавливается дистанционным кольцом на величину 85 бар.

Рис. 88 Цилиндровые крышки

Рис. 89 Размещение цилиндров

Моноблоки (объединение блока цилиндров и крышки) обычно применяют в высокооборотных двигателях и изготовляют из алюминиевых сплавов. В отечественных двигателях 12ЧНС 18/20и ЧН 16/17 моноблоки соединяются с несущим картером анкерными связями. В этой конструкции втулка с напрессованной рубашкой крепится к моноблоку