CC BY
42УДК 621.4
М. Н. Попов, старший преподаватель.
А. В. Демидов, стажер-аспирант ВГАВТ.
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
ОБЗОР И АНАЛИЗ НОВИНОК ОТЕЧЕСТВЕННОГО И ЗАРУБЕЖНОГО СУДОВОГО ДИЗЕЛЕСТРОЕНИЯ
В течение последнего десятилетия ведущими отечественными и зарубежными двигателестроительными компаниями велась интенсивная исследовательская и проектно-конструкторская работа по повышению технико-экономических показателей среднеоборотных двигателей.
В статье рассмотрены особенности конструкции и радикальные изменения в организации топливоподачи и направления совершенствования среднеоборотных двигателей ведущих дизелестроительных фирм мира.
В данной статье приведен обзор и анализ новых технических решений по модернизации дизелей, выпускаемых фирмами: ОАО «РУМО» (бывший завод «Двигатель революции»), ОАО ХК «Коломенский завод», «Вяртсиля», «Катерпиллар Мак», «Ман-Бурмейстер и Вайн», «Дойтц-АГ».
В течение последнего десятилетия ведущими отечественными и зарубежными двигателестроительными компаниями велась интенсивная исследовательская и про-ектно-конструкторская работа по переводу среднеоборотных двигателей на дешевые тяжелые топлива и снижению эмиссии выхлопных газов в связи с растущими требованиями защиты окружающей среды. Параллельно решались задачи по повышению надежности и эффективности двигателей, повышению их долговечности и снижению эксплуатационных расходов в связи с постоянным ростом цен на топливо (рис.1.) МЭО - морское дизельное топливо, ИБО - моторное топливо.
Рис. 1. Изменение стоимости топлива СІ984 по 2002г.
Автоматизированные двигатели типа ЧН 22/ 28 разработаны ОАО РУМО для замены обширного парка находящихся в эксплуатации, но морально устаревших дизелей модельного ряда ЧН 36/45. Новый двигатель имеет следующие преимущества: меньший удельный расход топлива (195 г/кВт. ч.), масла на угар (1,0 г/кВт. ч.); меньшую удельную массу; увеличенный ресурс до капитального ремонта (60 тыс. ч.), и первой переборки (15 тыс. ч.); меньшие габариты при увеличенной (1000 мин'1) частоте вращения коленчатого вала. Он приспособлен к работе на тяжелом топливе (вязкостью до 700 сСт.) и соответствует требованиям классификационных обществ, стандарту ИСО 2000 по эмиссии вредных веществ с выхлопными газами.
Конструктивное расположение обслуживаемых узлов и деталей обеспечивает хороший доступ для регулировки и демонтажа в процессе эксплуатации двигателя. Применение затяжки гидравлическим инструментом деталей крепления крышек коренных подшипников и цилиндровых крышек позволяет за минимальное время получить оптимальный момент затяжки.
Блок-картер отливается из высокопрочного чугуна и при работе двигателя не подвергается кавитационным разрушениям благодаря организации охлаждения только верхней части цилиндра. В связи с отсутствием в силовой схеме двигателя анкерных связей участки стенок блок-картера, нагруженные усилием давления газов, специально спрофилированы так, чтобы иметь умеренные растягивающие напряжения.
Цилиндровая втулка опирается на верхнюю плоскость блок-картера через специальный кожух охлаждения и отливается из специального чугуна центробежным способом, имеет тщательно шлифованную и хонингованную рабочую поверхность с приработанным покрытием.
Индивидуальные четырехклапанные крышки цилиндров имеют вставные седла и направляющие втулки для рабочих клапанов. Выпускные клапаны снабжены механизмом поворачивания.
Коленчатый вал изготовлен из легированной улучшенной стали, полноопорный, с противовесами подвесной конструкции на каждой щеке.
Шатун выполнен с косым разъемом и зубчатым стыком в нижней головке.
Поршень составной с масляным циркуляционным охлаждением. Имеет три компрессионных и одно маслосъемное кольцо с экспандером в верхней части тронка. Все поршневые кольца хромированные.
Распределительный вал состоит из отдельных для каждого цилиндра секций, соединенных призонными болтами.
Топливный насос высокого давления - плунжерного типа, индивидуальный для каждого цилиндра. Для исключения попадания топлива в систему смазывания применено уплотнение плунжера во втулке масляным затвором.
Форсунка имеет многодырчатый распылитель закрытого типа. В двигателях, работающих на дизельном топливе, применяются форсунки с неохлаждаемыми распылителями, а на тяжёлом топливе - форсунки с охлаждаемыми распылителями. У форсунок предусмотрена регулировка давления начала подъема иглы распылителя.
Система наддува выполнена по принципу «постоянного» давления газа перед турбокомпрессором.
В 1997 году ОАО ХК «Коломенский завод» по результатам сравнительных испытаний выиграл тендер у фирм «Катерпиллар» и «Мак» на поставку дизелей типа ЧН 26/26 на железные дороги Германии. По заданию Министерства Транспорта Российской Федерации разработаны конкретные технические предложения по замене главных двигателей «БКЬ» и «Г-60» на речных теплоходах на двигатели ЧН 30/38 производства ОАО ХК «Коломенский завод».
Выполненные проработки показали реальность замены при незначительных переделках в машинном помещении. Установка двигателей типа ЧН 30/38 возможна на
І
существующий на судах фундамент, через проставочные балки, которые будут входить в комплект поставки двигателя.
Сравнение основных технико-экономических показателей заменяемых двигателей и предлагаемых к замене показывает, что при одинаковых значениях мощности и частоты вращения коленчатого вала двигатели типа ЧН 30/38 имеют лучшие:
1. расход топлива до 11 %
2. расход масла до 19 %
3. назначенный ресурс до:
первой переборки с выемом поршней на 33-53 % капитального ремонта на 20-60 % списания на 21-42 %
4. по показанию использования объема Pe/LBH (кВт/м3) на 12-35 %
5. по показанию использования площади Pe/LB (кВт/м3) на 8-22 %
Прототипом дизелей для замены «SKL», «Г-60» и «Г-70» и работающих непосредственно на ВРШ является созданный в 1998 г., по договору с Департаментом водных путей, дизель 10Д42 (4ЧН 30/38) и на его базе 6-и и 8-ми цилиндровые двигатели, имеющие номинальную частоту вращения коленчатого вала 360 мин1. При этом потребуется установка механизма реверса и реверсивных насосов масла, воды, топлива.
Сейчас на рынке среднеоборотных двигателей появились модели, отличающиеся от предшественников измененной топливоподачей, увеличенными давлениями впрыска до 150-180 МПа, применением предвпрыска и основной подачи, применением электронного управления для отдельных элементов, подачей топливной эмульсии в цилиндры двигателя, применением модульной компоновки двигателя и т. д. Современные двигатели для ускорения раскручивания ротора ГТК стали подавать на лопатки компрессора сжатый воздух, используя для этого дополнительно устанавливаемые сопла. А для усовершенствования процесса смесеобразования и сгорания, была увеличена мелкость рас-пыливания путем увеличения давления впрыска топлива до 120-150 МПа. Более высокое давление впрыскивания 200 МПа оказываются неоправданными, так как резко растут нагрузки на сопловые наконечники, сопровождаемые их разрывом.
В процессе совершенствования дизелей ряд зарубежных фирм изменили отношение хода поршня к диаметру цилиндра до 1,5, что позволило увеличить высоту камеры сгорания и, тем самым, создать лучшие условия для формирования факела топлива, смесеобразования и сгорания. Одновременно с увеличением S/D фирмы снизили частоту вращения ДВС. Это понизило скорость движения поршня и интенсивность изнашивания ЦГ1Г.
Большое внимание было уделено организации смазывания ЦПГ. Традиционно применяемое в тронковых двигателях смазывание разбрызгиванием в двигателях Вяр-тсиля, например, было заменено на принудительную подачу масла в зазор между тронком и втулкой цилиндра через канал в самом поршне. В двигателях Зульцер-740 было введено принудительное смазывание под давлением от лубрикатора. Эти решения снизили эксплуатационные расходы масла до 0,5-1 г/кВтч., что на сегодняшний день для тронковых двигателей является рекордно низким.
Форсировка двигателей и использование в них тяжелых видов топлива потребовали особое внимание обратить на их тепловую напряженность, особенно, в камере сгорания. Алюминиевые поршни в большинстве конструкций были заменены на изготовленные из высокопрочного чугуна со сферическим графитом, либо fia составные с головками, изготавливаемыми из жаропрочной стали.
Ведущие судовладельческие компании в последнее десятилетие под знаком снижения эксплуатацйонных расходов систематически сокращают численность машин-
ной команды, а это диктует необходимость уменьшения объема работ по техническому обслуживанию непосредственно на судне и переноса большей части этих работ на берег. Этому же способствует и напряженное расписание рейсов, приводящее к сокращению стоянок в порту и, тем самым, затрудняющее выполнение трудоемких работ в эти периоды.
Нельзя не учитывать наблюдаемое снижение квалификации судовых механиков, для которых выполнение ряда работ по техническому обслуживанию представляется довольно сложным и, в связи с этим, нередки ошибки. В подтверждение сказанному по данным морских страховщиков более 50 % поломок у вспомогательных дизелей приходится на первые 500 часов их работы после технического обслуживания, при этом основной причиной является человеческий фактор.
Изложенные обстоятельства послужили основанием для радикального изменения компоновочных систем двигателя нового поколения. Применение модульных решений, предусматривающих интегрирование ряда ранее сопрягаемых конструктивных элементов в отдельные модули - моноблоки, устранение внешних трубопроводов и размещение их в моноблоках, замена фланцевых или штуцерных соединений на самоуплотняющиеся разъемы типа Plug-in существенно упростило операции по разборке и сборке двигателей.
Ряд компаний встретили на своем пути проблему некачественного сгорания топлива на частичных режимах, происходившего из-за низкой температуры воздуха и газов в камере сгорания. Поэтому Вяртсиля и другие компании при переходе двигателя на нагрузки менее 45 % прибегают к отключению охлаждения наддувочного воздуха и включают его подогрев.
Применение тяжелых видов топлива всегда вызывало ряд проблем. Топливо состоит из тяжелых фракций, обладающих более долгим периодом воспламенения. При работе двигателя, особенно в зоне частичных нагрузок, когда давления и температуры в конце сжатия низкие, (рннд увеличивается и сгорание топлива смещается в сторону запаздывания. Чтобы ускорить физические и химические процессы подготовки топлива к сгоранию, необходимо было поднять давление и температуру в цилиндре в момент впрыска топлива. При модернизации двигателя это было достигнуто увеличением степени сжатия с 10,5-11 до 14-15,5. Это привело к повышению КПД цикла, но одновременно и повышению давления цикла, что, несомненно, не лучшим образом влияет на детали ЦПГ. Чтобы избежать роста Р2, конструкторы прибегли к смещению начала подачи топлива в сторону запаздывания при одновременном сокращении продолжительности подачи таким образом, чтобы степень повышения давления не выходила за пределы 1,1 и не увеличивалось догорание топлива на линии расширения. Достигнутые в итоге отмеченных преобразований изменения в протекании рабочего процесса хорошо видны на рис. 2. Рабочий цикл сегодня сведен практически к циклу с подводом теплоты при постоянном давлении (Цикл Дизеля).
Здесь важно отметить, что переход от цикла со смешанным подводом теплоты к циклу Р = const должен был привести к снижению экономичности. Но увеличение степени сжатия и сокращение продолжительности подачи топлива при одновременном повышении тонкости распыливания топлива позволили конструкторам удержать его расход на прежнем уровне и при этом решить главную задачу - обеспечить эффективную работу двигателя на тяжелых видах топлива и уменьшить образование N0*.
Рядом фирм, в том числе Катерпиллар, Вяртсиля, МАН, был внедрен двухступенчатый впрыск топлива, сущность которого состоит в подаче в цилиндр небольшой порции топлива, предшествующей основной подаче. Необходимость такой подачи обусловливается плохой воспламеняемостью тяжелых видов топлива и продолжительным периодом задержки воспламенения, в процессе которого топливо накаплива-
ется в цилиндре и только затем воспламеняется. Это сопровождается большими скоростями процесса сгорания и жесткой работой двигателя. Наличие предвпрыска создает условия для более мягкого и полного сгорания.
Рс,
Рх.
ЫШ
К,
Р»,
МП»
-90 -60 -30 0 30 60 90 120 градп.к.в. А ВМТ
-90 -60 -30 0 30 60 90 120 град.п.к.в В ВМТ
Рис.2. Кривые давления в рабочем цилиндре при:
А - традиционной организации процесса; В - увеличение давления сжатия и снижение X = Р, / Рс путем переноса сгорания за ВМТ
В современных двигателях конструкторы фирмы Катерпиллар стали применять насос-форсунку, что привело к отсутствию трубопровода высокого давления и решило проблему обеспечения давления впрыска в 150 МПа и выше без опасения разрыва трубопровода и его подтекания. Фирма применила насос золотникового типа с косой кромкой плунжера, обеспечивающий при его повороте изменение количества впрыскиваемого топлива.
Как уже отмечалось выше, топливоподающая аппаратура с механическим приводом плунжера обладает существенным недостатком - падением давления впрыска при снижении частоты вращения. Чтобы этого избежать, фирма Катерпиллар прибегает к гидроприводу, позволяющему сохранить давление впрыска неизменным в широком диапазоне частоты вращения.
В то же время фирма Вяртсиля идет по пути применения аккумуляторной системы топливоподачи, которая в отличие от систем с гидроприводом, рассчитанной на работу на дизельном топливе, успешно используется при работе на тяжелых видах топлива. Данная система состоит из электронного блока управления, топливного насоса высокого давления, аккумулятора высокого давления и форсунки.
В задачу топливного насоса высокого давления входит поддержание давление топлива в аккумуляторе в пределах 90-150 МПа. Система состоит из нескольких насосов во избежание поломки одного и остановки работы двигателя.
Форсунка. Распределение впрыска в форсунке по фазам осуществляется управляющим клапаном подачи, который приводится в действие соленоидом, запитывае-мым током, поступающим с электронного блока.
Фирма Катерпиллар приняла радикальное решение и заменила механический привод плунжера ТНВД на гидравлический. Последний позволяет удерживать давление впрыска постоянным и независимым от частоты вращения двигателя. Также фирма предложила применить насос - форсунку с гидравлическим приводом. Плунжер приводится в движение силой давления масла на поршень толкателя. Давление создается гидронасосом и направляется в аккумулятор, в котором оно с помощью управляемого процессором клапана поддерживается постоянным и равным 22 МПа. Микропроцессор подает ток на соленоид, сердечник тянет вверх клапан, и он своим нижним седлом открывает проход масла к поршню толкателя плунжера.
Следующим новым направлением в совершенствовании дизелей, позволяющим автоматизировать процессы управления и контроля за работой двигателей, повысить их экономичность и надежность и добиться более чистого выхлопа, явился перевод двигателей на электронное управление. Современная система электронного управления помимо давно уже существующих систем ДАУ, СЦК - (мониторинга параметров основных систем двигателя) включает микропроцессор с программным обеспечением, осуществляющим решение широкого спектра задач по управлению двигателем.
Первой, освоившей промышленный выпуск дизелей с электронным управлением, была фирма «Катерпиллар», в области судового двигателестроения первые шаги сделали фирмы MAN BSW , Вяртсиля и Зульцер.
Следует особо отметить, что фирмой «Катерпиллар» большая часть двигателей сегодня выпускается с электронным управлением, причем стоимость их остается равной стоимости аналогичных двигателей с механическими системами управления и регулирования.
Устанавливаемый на двигатели микропроцессор выполняет функции:
- электронного регулятора скорости, поддерживающего заданный скоростной и нагрузочный режим;
- управления подачей топлива в соответствии с заданным режимом;
- фиксирования и мониторинга основных параметров двигателя и обслуживающих его систем;
- осуществления аварийно-предупредительной сигнализации при выходе параметров за уставку и сбрасывания оборотов, либо остановки двигателя при существенном превышении уставки;
- фиксирования в памяти процессора всех нарушений в работе двигателя и вне зависимости от срока давности выдачи их на экран подключаемого к процессору компьютера;
- с помощью компьютера и заложенной в него программы по известным кодам осуществляется диагностика двигателя.
Новой разработкой фирмы «Катерпиллар» является электронная калибровка насос-форсунок, заключающаяся в том, чтобы обеспечить идентичную работу каждой форсунки на всем диапазоне рабочих режимов в пределах очень узкого поля допусков на угол опережения и величину подачи топлива. Это позволяет улучшить показатели эмиссии выхлопных газов. В новой системе в микропроцессор закладываются данные, полученные путем испытаний каждой форсунки на стенде завода, и ей присваивается персональный кодовый номер. По кодовому номеру завода поставляется файл, который и вводится в микропроцессор двигателя. Последний на основе имеющихся данных вырабатывает сигнал и подает их на каждую насос-форсунку в соответствии с ее индивидуальными характеристиками.
Автоматические системы управления и мониторинга WENCOM и WECS разработаны применительно к решению задач обеспечения возможности работы двигателей в условиях безвахтенного обслуживания в машинном помещении и управления ими с мостика. Они осуществляют следующие основные функции:
- Частота вращения задается гидро-механическим, электронно-гидравлическим или электронным регуляторами.
- Для защиты от превышения предельной частоты вращения используются две системы - электро-пневматическая, воздействующая на каждый ТНВД и механический регулятор предельной частоты вращения, связанный с валом управления рейками ТНВД.
- Медленное проворачивание двигателя перед пуском.
- Контроль безопасности перед пуском и его блокировка, если не все функции подготовки пуска выполнены.
- Мониторинговая система WENCOM осуществляет контроль всех основных параметров двигателя, включая контроль температур выхлопных клапанов, рабочих поверхностей втулок цилиндров в зоне верхних поршневых колец при положении поршня в ВМТ, температур рамовых подшипников.
- Дистанционное управление осуществляется системой RENCOM, работающей совместно с процессором.
Измерение температур выхлопных клапанов производится с целью обнаружения их прогорания на ранней стадии. Для этого малоинерционные термопары заделываются в седла клапанов. Клапаны оборудованы механизмом проворачивания и, когда на уплотнительном пояске клапана появляется зона прорыва газов и она совпадает с местом расположения термопары, последняя фиксирует местное кратковременное повышение температуры. Обработка сигнала осуществляется в микропроцессоре, и он вырабатывает предупреждающий сигнал.
Термопары в рамовых подшипниках позволяют осуществлять контроль за их состоянием, и в случае превышения заданных уставок микропроцессор дает предупреждающий сигнал.
Термопары во втулках цилиндров устанавливаются на уровне под первым поршневым кольцом при положении поршня в ВМТ для измерения температуры втулки на расстоянии 5 мм от ее рабочей поверхности. В случае прорыва газов между кольцом и поршнем температура втулки увеличивается и это служит основанием для суждения об ухудшении уплотняющей функции колец. Поскольку температура втулки зависит от нагрузочного и скоростного режима работы двигателя, работы системы воздухо-снабжения, то предупреждающий сигнал вырабатывается микропроцессором по величине разности температур
— Тизмер — Тэтал
Чисто теоретически не исключается возможность построения на основании накопленных данных по 5, кривых тренда изменения технического состояния пары «поршневые кольца - втулка цилиндра». По скорости изменения и величине 5, предполагалось решать задачу назначения сроков переборки цилиндро-поршневой группы двигателя.
Однако, как показал опыт эксплуатации, в силу присутствия большого числа факторов ее решение представляется довольно сложным и цока не имело результатов.
Система диагностики FAKS (Fault Avoidance Knowledge System) основана на экспертной оценке возникающих изменений технического состояния двигателя и выгодно отличается от обычно применяемых методов диагностики. Последние основаны на использовании математических методов представления идеального состояния двигателя, необходимого для выработки эталонных значений диагностических параметров, и дают довольно грубое решение задачи. Это определяется большим числом действующих факторов, которые трудно описать чисто математически, особенно, если предварительно не проводится широко поставленное экспериментальное исследование.
Работа системы FAKS включает 5 основных этапов:
- Заключение специалистов-экспертов о причинах типичных для двигателя нарушений в его работе, сопоставление с данными лабораторной проверки.
- Компьютерная обработка материалов экспертизы.
- Сбор данных, полученных от датчиков системы мониторинга WENCOM, и передача их в модель реального двигателя.
- Компьютерная обработка и диагностирование, основанное на заключениях экспертов и математических моделях идеального и реального двигателя.
- Комплектация базы данных и выдача на дисплей результатов диагноза.
В число измеряемых параметров входят:
- дата и время;
- общий наработок двигателя;
- мощность двигателя и частота вращения;
- наличие воды в ресивере наддувочного воздуха;
- давление воздуха за воздухоохладителем;
- перепад давления воздуха в воздухоохладителе;
- перепад давления в воздушном фильтре ТК;
- давление и температура воздуха в машинном помещении;
- число оборотов в ГТК;
- температура наддувочного воздуха перед и за воздухоохладителем;
- наличие помпажа компрессора.
Системой предусмотрено построение кривых изменения параметров во времени, показывающих тенденцию их изменения (тренд).
Снимаемые с двигателя параметры проходят нормализацию - приведение параметра к стандартным значениям давления и температуры окружающей среды и нагрузке 85 % от номинала. Это исключает влияние перечисленных факторов на величину параметра и обеспечивает достаточно достоверную картину тренда.
Фирма «Вяртсиля-Дизель» в настоящее время выпускает двигатели:
Среднеоборотные: Вяртсиля 20, 26, 26Х (форсированные с использованием МЭО), 32,38,46,64, и Зульцер гА40Б.
Малооборотные: Зульцер ЯТА 48Т-В, ЯТА 521_1-В, ЮГА58Т-В, ЯТА62и-В, 1ПА68Т-В, 11ТА72и-В, К.ТА84Т-В, ЯТА96С ИТ-Иех.
Высокооборотные: Каммингс С\^-200
Эти двигатели фирмой выпускаются в качестве главных судовых и вспомогательных, они собрали в себе все новые решения и изменения конструкции.
Рассмотрим двигатель 1Л122
Первой проблемой, которой занялась фирма, - это снижение вязкости топлива.
При переводе на тяжелое топливо наиболее просто решается проблема высокой вязкости. Для ее понижения топливо перед двигателем необходимо вне зависимости от первоначальной вязкости подогревать до температуры 100-150°С, изолировать топливопроводы и топливовпрыскивающую аппаратуру, поднять давление в системе топли-воподачи до 4-5 атм. во избежание газообразования и испарения легких фракций.
Для решения проблемы повышения эффективности сгорания тяжелых видов топ-ла, учитывая, что для них характерно наличие плохой воспламеняемости и малых скоростей сгорания, потребовалось принятие мер по увеличению давлений впрыска до 140-150 МПа, что обеспечило более мелкое распиливание топлива не только на полных, но и на малых нагрузках. Так же, например, в двигателе Вяртсиля 46 угол опережения впрыска ранее составлял 10-12° п.к.в., а после модернизации он был сокращен до 2-3° п.к.в до ВМТ. Сокращение продолжительности подачи было компенсировано увеличением диаметра сопловых отверстий и повышением скорости движения плунжера ТНВД.
В двигателях с предвпрыском используется стандартный ТНВД, в котором установлен дополнительный нагнетательный клапан с более слабой пружиной, первым открывающийся в начале нагнетательного хода плунжера. От этого клапана топливо по топливной трубке направляется к форсунке, дополнительно установленной в
крышке цилиндра. По мере роста давления открывается основной нагнетательный клапан и через него и ранее открытый дополнительный клапан осуществляется основная подача топлива.
В итоге проведенной модернизации была обеспечена возможность использования топлива с вязкостью до 700 сСт при 100°С при удельном расходе в 189 г/кВт.ч.
В ходе модернизации существенные изменения были внесены в конструкцию основных компонентов двигателя.
Втулка цилиндра. В целом сохранена традиционная конструкция втулки «мокрого типа» - с охлаждением ее наружной поверхности. Втулка изготавливается из особого чугуна, обладающего высокой износоустойчивостью.
Поршень цельный, изготавливается из чугуна со сфероидальным графитом. Поршень охлаждается маслом, поступающим по сверлению шатуна через поршневой палец и бобышки внутрь замкнутой полости в головке. Практически во всех моделях организована оригинальная, запатентованная фирмой, система подачи масла на смазку цилиндров. Часть масла, поступающего в поршень из общей системы смазывания двигателя, на уровне ниже маслосъемного кольца отводится по тангенциально расположенным каналом к дозирующим соплам и далее на поверхность тронка. В целях повышения износоустойчивости поршневых колец, включая и маслосъемные, на их рабочую поверхность нанесен слой пористо-хромового покрытия.
Крышка цилиндра. Для обеспечения высокой надежности и ресурса фирме пришлось пересмотреть конструкцию крышки с позиции увеличения ее жесткости. Верхнее и нижнее днище крышки стали массивнее. Для увеличения ресурса клапанов в их привод введен механизм проворачивания.
Шатун. Стержень шатуна имеет круглое сечение, в конструкции шатунного подшипника применен косой разъем, что позволяет увеличить диаметр подшипника в целях снижения удельных нагрузок на подшипниковый сплав и одновременно осуществлять демонтаж поршня с шатуном через цилиндр.
Распределительный вал составной и изготовлен из отдельных сегментов, включающих три откованных за одно целое кулачка. Между сегментами располагаются подшипниковые узлы, к которым они крепятся болтами. Все сегменты и подшипниковые узлы идентичны и в случае износа могут заменятся по отдельности.
Топливовпрыскивающая аппаратура. Топливный насос претерпел следующие изменения:
1. Втулка плунжера и крышка насоса усилены и представляют собой единый монолит.
2. В качестве разгрузочного клапана, служащего целям разгрузки топливопровода высокого давления в период между впрысками, использовался нагнетательный клапан с разгрузочным пояском.' В новой конструкции введен специальный невозвратный клапан разгрузки, разгружающий топливопровод до давления в 10 МПа вне зависимости от режима работы двигателя.
Форсунка имеет многодырчатый охлаждаемый маслом распылитель. Подвод топлива от ТНВД осуществляется сбоку посредством адаптера, проходящего через крышку цилиндра и изготовленного из одной заготовки совместно с трубкой высокого давления. Охлаждение распылителя осуществляется маслом от отдельной системы, что позволяет поддерживать его температуру на оптимальном уровне. При пуске холодного двигателя во избежание холоднотемпературной коррозии кончика сопла распылитель подогревается. Для этого предусмотрен электрический подогреватель подаваемого в форсунку масла.
Двигатель L20 имеет конструктивные преимущества, базирующиеся на принципе моноблочности. Количество комплектующих существенно сокращено путем объеди-
нения ряда деталей в моноблоки, внешние трубопроводы в основном заменены на сверления в блоках. Так, крышка цилиндра может быть снята без разъединения и разборки патрубков подвода и отвода охлаждающей воды, надувочного воздуха и масла.
Крышка цилиндра отлита из чугуна и имеет жесткую коробчатую конструкцию, 4-х клапанная, с тремя днищами. Для крышек двигателя Вяртсиля характерно наличие 4-х шпилек крепления их к блоку.
Блок отлит из сферического чугуна и представляет собой монолитную, жесткую и компактную конструкции. Моноблочная структура блока, характерна для большинства высоко- и среднеоборотных двигателей.
Втулка цилиндра обладает минимальными деформациями как благодаря собственной жесткости, так и за счет прочности и жесткости посадочных поясков блока цилиндров. Для очистки боковой поверхности головки поршня от откладывающегося на ней нагара, который впоследствии полирует зеркало цилиндра и приводит к его повышенному изнашиванию, в верхней части втулки устанавливается счищающее (огневое или антиполировочное) кольцо.
Поршень составной - стальная головка и юбка из сфероидального графита, обладающего отличными антиизносными свойствами, малым тепловым расширением, что в сопоставлении с алюминиевыми юбками дает возможность работать с малыми зазорами в цилиндре. Головка поршня охлаждается маслом, поступающим в нее по сверлению в стержне шатуна. Затем масло попадает через сверление в юбке на зеркало цилиндра. Это обеспечивает наличие гарантированного количества масла между трущимися поверхностями поршня и втулки и предохраняет в экстремальных случаях от образования задиров и повышенных износов.
Шатун двутаврового сечения стальной штампованный. Верхняя головка шатуна имеет ступенчатую форму. Поскольку наибольшие нагрузки несет нижняя половина подшипника, её ширина увеличена.
ТНВД золотникового типа, давление впрыска 140 МПа. Корпус насоса интегрирован в общий блок с системой подачи топлива низкого давления и с направляющим клапаном.
Двигатели Ь/У 26, 32, 38, 46 и 64. Для этого ряда двигателей характерно наличие монолитных литых блокоз, объединенных в одно целое с картером, обеспечивающих высокую поперечную и продольную жесткость.
Коленчатые валы подвешиваются снизу. Масса противовесов выбирается такой, чтобы уравновесить силы инерции вращающихся масс.
Поршни имеют стальные охлаждаемые головки и чугунные юбки. В целях выравнивания температур головки поршня в нее заливается масло и охлаждение осуществляется взбалтыванием. В более поздних конструкциях охлаждение происходит за счет протока масла, поступающего по стержню шатуна. Из головного подшипника масло через палец и бобышки направляется непосредственно в головку поршня. Смазывание тронка и втулки осуществляется этим же маслом, поступающим через 4 дозирующих сопла в канавку, расположенную в верхней части юбки ниже маслосъемного кольца.
Шатуны 32 модели имели двутавровое сечение и косой разъем. Сегодня в 32, 46, и 64 двигателях стали применятся нижние головки морского типа с прямым разъемом. ' Подобное решение позволило увеличивать диаметр мотылевой шейки независимо от диаметра цилиндра и осуществлять демонтаж поршня с шатуном без разборки моты-левого соединения, что упрощает демонтажные работы.
Турбонаддув осуществляется с использованием турбоагрегатов Браун-Бовери серии УТЯ. В зависимости от назначения двигателя турбокомпрессор может работать в следующих вариантах:
Наддув при постоянном давлении газов перед турбиной; наддув импульсный; наддув комбинированный (импульсный и наддув при постоянном давлении).
Системы охлаждения и смазывания. Особенностью компоновки систем является то, что они полностью интегрированы в отдельные компоненты двигателя и внешние трубы почти отсутствуют. Система охлаждения разделена на два контура - высокотемпературный и низкотемпературный. Высокотемпературный контур отвечает за поддержание высоких температур на выходе из двигателя, чтобы обеспечить воспламенение и сгорание тяжелых топлив, особенно на малых нагрузках. Низкотемпературный контур служит целям охлаждения наддувочного воздуха и масла циркуляционной системы смазывания.
В систему смазывания входят насос системы смазывания с приводом от двигателя, электроприводной насос предварительной прокачки, охладитель масла, полнопоточный самоочищающийся фильтр и встроенный байпасно-центральный фильтр.
В двигателе Вяртсиля-Зульцер Z-40 были применены такие новаторские решения, как сохранение максимального давления сгорания Рг на достаточно высоком уровне при уменьшении нагрузки, что достигнуто при помощи увеличения угла опережения подачи топлива с применением косой кромки на плунжере ТНВД. Наличие двухступенчатого воздухоохладителя позволило осуществлять подогрев наддувочного воздуха на режимах малых нагрузок, что повышает экономичность работы двигателя.
К конструктивным особенностям этого двигателя прежде всего необходимо отнести оригинальное решение соединения поршня с шатуном, верхней головке которого придана сферическая форма. Это, в сопоставлении с традиционным решением, основанным на использовании поршневого пальца, дает ряд преимуществ:
- увеличивается опорная поверхность, соответственно снижаются удельные давления в головном подшипнике.
- поршень с помощью встроенного в верхнюю головку храпового механизма при каждом отклонении шатуна поворачивается относительно своей оси, что обеспечивает равномерное его изнашивание.
Поршень составной, головка охлаждается маслом, поступающим из верхней головки шатуна. В последней модификации ранее существовавшие полости охлаждения заменены на сверления, обеспечивающие за счет взбалтывания в них масла более интенсивное охлаждение головки и равномерное распределение температур.
В последней модификации двигателя крышка цилиндра, ранее имевшая конструкцию с двойным дном, заменена на крышку с одним толстым, сверленым днищем. Это позволило снизить температуры и, главное, обеспечить более равномерное их распределение и, соответственно, меньшие деформации днища.
Шатуны морского типа в качестве антифрикционного сплава в мотылевых и ра-мовых подшипниках используют сплав алюминия с 20 % олова.
Двигатели «Катерпиллар» Судовые двигатели 3500 серии. Из опыта длительной эксплуатации этих двигателей было принято решение о модернизации насос-форсунки с механическим приводом и управлением от гидромеханического регулятора скорости на электронное управление от установленного на двигателе микропроцессора; степень сжатии увеличена с 13,5 до 14; повышено давление наддува и мощность двигателя до 2238 кВт. Рост тепловых нагрузок потребовал замены цельного поршня на составной - стальная кованая головка и алюминиевая юбка.
Двигатели серии 3600 производятся в 6,8,12,16 и 18 - цилиндровом исполнении. Двигатели 3600, как и двигатели3500 серии нереверсивные и комплектуются ВРШ или реверс-редукторами. Впрыск топлива осуществляется насос-форсунками с механическим приводом и механическим или электронным управлением от установленного в этом случае процессора.
Двигатель отличается простотой конструкции, основанной на традиционно используемых решениях, и обладает высоким ресурсом.
Как уже отмечалось, двигатели этой серии могут работать на дизельных видах топлива, сырой нефти и тяжелом топливе до 700 сСт. при 50°С. Обращает на себя внимание малая удельная масса, так у двигателя 3616 она составляет 0,5 кг/кВт, в то время как у большинства судовых двигателей близкой размерности она выше 1,0 кг/кВт.
К конструктивным отличиям от других серий двигателей CAT следует отнести, наличие в верхней части втулки антиполировочного кольца для снятия отложений нагара на боковых поверхностях головки поршня.
Особое внимание заслуживает применение оригинальных по своему решению вкладышей рамовых подшипников. В отличие от широко применяемых трехслойных вкладышей со сплошной заливкой рабочей поверхности мягким сплавом в этом подшипнике мягким оловянным сплавом заполнены только созданные в нем канавки, перемежающиеся с более твердыми и износоустойчивыми ребрами из алюминиевого сплава, хорошо несущими нагрузку.
Двигатели МАК М20 имеют монолитный, чугунный остов с сухим картером.
Блок-картер. На верхнюю плоскость блока устанавливается высокая рубашка, сверху на нее опирается крышка цилиндра, и между ними образована полость охлаждения. Из нее охлаждающая вода переходит в крышку, а часть воды отбирается на охлаждение ГТК.
Коленчатый вал цельнокованый, подвесной.
Распределительный вал составной и выполнен из секций по числу цилиндров, что существенно упрощает его демонтаж и замену отдельных секций.
Поршень охлаждаемый, составной - головка стальная, юбка алюминиевая. В головке располагаются два компрессионных и одно маслосъемное кольцо.
Шатун стальной, круглого сечения, нижняя головка с косым разъемом.
Топливная аппаратура. Форсунки многодырчатые, охлаждаемые маслом, отбираемым из общей системы смазывания. ТНВД золотникового типа Бош, с регулированием по концу подачи
Турбонаддув ранее был организован по импульсной схеме. Двигатель нового поколения имеет наддув при Pconst,4TO дает постоянство давления на разных режимах работы двигателя.
Двигатели МАК М32С и М43 по своей конструкции не отличаются от уже ранее рассмотренного двигателя М 20 за исключением двигателя М43, в котором заменена конструкция стержня шатуна. Он стал разъемным в верхней части, что позволило уменьшить монтажную высоту и упростить операции по демонтажу поршня и моты-левого подшипника, а также позволило регулировать степень сжатия за счет уменьшения камеры сгорания.
Двигатели VIAN BSV. Фирма представляет модельный ряд 4-х тактных двигателей (рис. 3).
Двигатель L21/31. В конструкцию двигателя заложен принцип интегрирования отдельных компонентов в модули. Новым является наличие фронтальной литой коробки, в которой располагаются обслуживающие двигатель вспомогательные агрегаты (насосы, охладители, терморегулирующие клапаны и др.).
Фундаментная рама при генеральном исполнении единая и одновременно выполняет функцию масляного поддона.
Крышка цилиндра отлита из чугуна совместно с интегрированной с ней частью ресивера наддувочного воздуха, имеет два впускных и два выпускных клапана.
Топливовпрыскивающая аппаратура включает топливный насос золотникового типа с регулировкой по концу подачи и форсунку многодырчатую, неохлаждаемую.
Клапаны. Для предотвращения образования отложений на рабочих поверхностях предусмотрен механизм проворачивания клапанов.
Поршень составной - юбка отлита из сферического чугуна, головка стальная кованая и охлаждается маслом, поступающим по сверлению в шатуне.
п,мип -1 Семейство двигателей
1000 Ь2Ш1 ■
800-900 Ь23/30А У23/30Л ■ 1
800 Ь27/38 ■
775 І.28ШЛ У28/32А ■ ■
720-750 1.32/40 У32/40 ■И ШШІ
500-600 МО/54 У 40/50 — -
500-514 1.48/60« У48/60В шшт
400-428 1.68/64 0 1. .
----!----1-------1-1------1-1------1-1-------1-1
5000 10000 15000 20000 25000
мощность, кВт
Рис. 3. Модельный ряд 4-х гактных двигателей МА№В\АГ
Шатун стальной, кованый, круглого сечения с нижней головкой морского типа.
Система турбонаддува постоянного давления с промежуточным двухступенчатым воздухоохладителем трубчатого типа.
Двигатели «Дойц-АГ». Фирма является одним из старейших производителей двигателей. Диапазон мощностей выпускаемых ею двигателей составляет от 7 до 7250 кВт. Наибольший интерес представляют двигатели 628, 632 и 645 семейства, так как они были разработаны применительно к использованию в качестве энергетических агрегатов на судне.
Двигатель М628 имеет чугунный, лигой остов, объединяющий станину и блок в одно целое.
Коленчатый вал подвесного типа располагается на крышках рамовых подшипников, закрепленных вертикальными и двумя горизонтальными шпильками, предотвращающими скручивание постели и придающими ей дополнительную жесткость. На переднем конце вала для гашения крутильных колебаний установлен гидравлический демпфер.
Шатуны штампованные, двутаврового сечения, нижняя головка с прямым разъемом и 4 шатунными болтами. Верхняя головка ступенчатая, позволяющая уменьшить удельные давления на нижней рабочей поверхности бронзового головного подшипника.
Головка поршня изготовлена из жаропрочной стали и несет в себе 3 хромированные компрессионные и 1 маслосъемное кольцо. Охлаждение головки поршня и смазывание головного подшипника осуществляется маслом, подаваемым снизу через установленную в блок-картере форсунку.
Втулка цилиндра изготовлена из износостойкого материала методом центробежного литья и цианирована в жидкой среде.
Крышка цилиндра отлита из шаровидного чугуна. Огневое днище в целях снижения температурных напряжений выполнено тонким, но для придания механической прочности укреплено коническими ребрами. Специально подобранное сечение кана-
лов для охлаждающей воды обеспечивает интенсивное охлаждение огневого днища, особенно в зоне расположения клапанов. Замена ранее применявшемся двухклапанной конструкции на четырёхклапанную существенно уменьшило гидравлические потери при наполнении и выхлопе. Крышка крепится четырьмя шпильками. Выхлопные патрубки имеют водяное охлаждение, что обеспечивает легкость демонтажа вследствие отсутствия пригорания прокладок и болтов крепления.
Для изготовления выпускных клапанов используется НИМОНИК 80А, материал, отличающийся высокой прочностью и твердостью при высоких температурах и стойкий к высокотемпературной коррозии. Поворотные устройства «Ротокап» препятствуют образованию отложений на седлах клапанов. Жаростойкое кольцо, установленное в направляющей клапана и плотно охватывающее его шток, препятствует возникновению коррозии штока под действием находящихся в выхлопных газах сернистых соединений. Седла выпускных клапанов изготовлены из высоколегированной стали.
Распределительный вал составной: каждая секция на 3-4- цилиндра располагается в верхней части блока. Устанавливается вал в подшипники с трехслойными вкладышами.
Топливные насосы высокого давления типа Бош, компонуются по 3-4 насосных элемента в один блок. Управление подачей топлива осуществляется гидромеханическим регулятором.
Форсунка много дырчатая, охлаждаемая маслом (при работе на тяжелом топливе) Турбонаддув импульсного типа. Наддувочный воздух охлаждается в двухсекционном охладителе. Вторая секция используется для подогрева воздуха горячей, отходящей от двигателя водой при переходе на режимы малых нагрузок.
За время эксплуатации с 1994 года главный судовой двигатель марки SBV 628 на теплоходе «Братислава» ОАО СК «Волжское пароходство» зарекомендовал себя как исключительно надежный и удобный в обслуживании, экономичный и неприхотливый дизель!
Новые конструкторские разработки позволили создать современные двигатели, выгодно отличающиеся от предшественников:
- Меньшими удельными расходами топлива и масла.
- Увеличенным ресурсом работы.
- Уменьшенным содержанием вредных веществ в отработавших газах.
- Улучшенными массо-габаритными показателями.
- Существенным улучшением условий обслуживания и ремонта.
Рассмотренные в статье новинки могут быть использованы в учебном процессе (на лекциях и лабораторных занятиях), а также в дипломном проектировании.
Кроме того, они будут полезны, на наш взгляд, при подготовке судовых механиков к дипломированию в процессе повышения их квалификации.
Список литературы
[1] Возницкий И.В. Современные судовые среднеоборотные двигатели. - СПб.: 2003. - 136 с.
[2] Возницкий И. В. Топливная аппаратура судовых дизелей. Конструкция, проверка состояния и регулировка. - СПб.: ООО «Файндер-Плюс», 2004. - 121 с.
REVIEW AND ANALYSIS OF SHIPP1NG POWER BUILDING MODERN TECHNOLOGIES IN RUSSIA AND ABROAD
М. /V. Popov, A. V. Demidov
During last decade leadirtg russian and foreing diesel engineering companies investigated shipping power building and dezained ncw technologies to meet modem technical and économie standed.
Constraction characteristic features, modifications of fuel feed system and direction of wide-spread middle rotation engines imrovment are considired in the article.
