2.2.2.7. Тепловой баланс двигателя. Индикаторный и эффективный к.П.Д.

Знание теплового баланса двигателя дает возможность понять распределение теплоты, полученной в двигателе в результате сгорания топлива.

Всю полученную теплоту принимают за 100%. Она распределяется на полезную работу и потери. К основным составляющим расхода теплоты в двигателе относятся:

- Q_пол. – теплота, преобразованная в полезную работу, т.е.вращение валопровода и тем самым движение судна;

- Q_газ. – теплота, потерянная с выпускными газами;

- Q_охл. – теплота, ушедшая в охлаждающую двигатель воду и масло;

- Q_мех. – теплота, затраченная на механическое трение деталей;

- Q_неп. – теплота, потерянная из-за неполного сгорания топлива;

- Q_пр. – теплота, затраченная на прочие неучтенные потери.

Таким образом, тепловой баланс можно представить в виде уравнения:

Q= Q_{пол. +} Q_{газ. +} Q_{охл. +} Q_{мех. +} Q_{неп. +} Q_пр.

Эффективность работы двигателя характеризует индикаторный ή_і и эффективный ή_е к.п.д. Индикаторный к.п.д. показывает совершенство рабочего процесса в цилиндре дизеля, а эффективный – экономичность работы дизеля в целом с учетом всех его тепловых и механических потерь.

Механический к.п.д. ή_м учитывает потери на трение прежде всего в цилиндрах, меньше- в подшипниках и приводах. Обеспечивающих работу дизеля (привод механизма газораспределения,масляного, топливного и водяного насоса

Зависимость между индикаторным и эффективным к.п.д. определяется формулой:

ή_е = ή_і ή_м

Наиболее значительная часть механических потерь вызвана трением в цилиндре, меньшая - трением в хорошо смазываемых подшипниках и приводом необходимого для работы двигателя оборудования. Механический к.п.д. двигателя зависит и от типа используемого масла.

2.2.2.8. Основные неподвижные части двс (остов двс)

Основные неподвижные детали образуют остов ДВС, являющийся опорой для различных узлов и движущихся деталей.

Конструкция остова определяется назначением и типом ДВС. На рис. 38 приведены различные схемы конструкций остова ДВС.

Рис. 38 Принципиальные схемы конструкций остова ДВС:

а)- раздельная фундаментная рама 1, картер 2, блок цилиндров 3, крышка 4;

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

в)- совмещенные фундаментная рама и картер – рама-картер 6;

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

д)- фундаментную раму заменяет несущий блок-картер 5;

е)- несущий картер 2 с поддоном 7, блок совмещен с крышкой – моноблоком 8.

Рис.39. Остов малооборотного крейцкопфного ДВС:

1- фундаментная рама; 2- рамовые подшипники ; 3- станина; 4- блок цилиндров

5- цилиндровые крышки; 6- анкерные связи

К конструкции остова предъявляют следующие основные требования:

- большая жесткость;

- достаточная про­чность;

- возможно меньшая масса (масса остова достигает 70 % об­щей массы дизеля).

Большая жесткость остова дает возможность избежать недо­пустимых деформаций его деталей, нарушающих относительное расположение осей деталей КШМ.

В малооборотных крейцкопфных двигателях (Рис39) при­меняют остовы с раздельно изготовленными фундаментной рамой, станиной и цилиндрами или блоком цилиндров. Не­обходимая жесткость остова обеспечивается благодаря большому сечению высоких поперечных и продольных балок фундаментной рамы, а также применению блока цилиндров и станины коробчатой конструкции. Схема позволяет упростить изготовление деталей остова и применить различные материалы для изготовле­ния: блока цилиндров — чугун, станины и рамы — сталь.

Фундаментная рама

Фундаментная рама является основанием, на котором последовательно производиться сборка всех остальных элементов остова двигателя (Рис.40) Она воспринимает силы тяжести устанавливаемых на нее деталей, силу давления газов в цилиндре и силы инерции движущихся частей. Поэтому ее изготовляют с достаточными продольной и поперечной жесткостью и прочностью, необходимыми для обеспечения нормальной работы коленчатого вала. В нижней части рамы по всей длине имеются опорные полки (лапы) с отверстиями для болтов, предназначенных для крепления дизеля к судовому фундаменту.

По конструкции рама может быть цельнолитой (Рис.40,а) или составной. Составная рама (Рис.40,б) состоит из продольных балок , образующих боковые стенки, и ряда поперечных балок , двутаврового или коробчатого сечения, усиленных ребрами жесткости. В верхней части поперечных балок имеются постели, предназначенные для установки рамовых подшипников коленчатого вала. В некоторых дизелях для прохождения анкерных связей или соединительные

болтов на поперечных балках рамы предусматриваются специальные приливы. Такие рамы выполняют сварной конструкции, состоящей из стальных листов и фасонных элементов, полученных штамповкой.

Для быстроходных двигателей фундаментную раму изготавливают из силумина (сплав алюминия с кремнием)

Рис. 40. Фундаментная рама:

а) цельнолитая; б) составная литая

Вспомогательные дизели вместе с генератором часто жестко крепят к подмоторной раме, а раму устанавливают на аморти­заторы (резиновые или пружинные). Это позволяет значительно снизить вибрацию корпуса судна, ослабить влияние его деформации на положение фундаментной рамы, снизить трудоемкость ра­бот по монтажу дизеля и обеспечить его противоударную защиту.

Станина

Станина служит для связи блока цилиндров с фундаментной рамой в единую жесткую конструкцию и образования закрытой полости – картера. В крейцкопфном дизеле станина состоит из отдельных А-образных стоек, установленных в плоскостях рамовых подшипников и закрытых снаружи стальными щитами (Рис. 41,а). В тронковом дизеле чаще всего применяют станину коробчатого типа (Рис 41,б) или изготовленную заодно с блоком цилиндров (блок-станину). Материалом для станин обычно служит сталь (Ст.25,Ст.30) или чугун (СЧ18-36,СЧ-18-48).

Рис.42 Предохранительный клапан:

1-крышка клапана; 2-3-пружина; 4-пламеотражатель.

Рис.41 Станина:

а) – А-образная станина крейцкопфного дизеля;

б) – станина коробчатого типа тронкового дизеля

Во время работы дизеля в картере скапливаются пары масла, которые могут воспламеняться или взрываться. Для защиты картера от разрушений от взрыва паров масла на станине устанавливают предохранительные клапаны. По Правилам Морского Регистра Украины дизели с диаметром цилиндра более 200мм и объемом картера более 0,6м³ оборудуют специальными предохранительными клапанами. (Рис 42)

С помощью пружины 3 клапан 2 прижат к крышке 1 люка и уплотнен резиновым кольцом. При избыточном давлении (0,01 – 0,02МПа) клапан 2 открывается и газы выходят в атмосферу. Пламеотражатель 4 служит для предотвращения выброса пламени в машинное отделение. После падения давления газов в картере под действием пружины 3 клапан 2 закрывается и поступление свежего воздуха в картер прекращается.

Контроль за концентрацией масляных паров осу­ществляется постоянный и автоматический с помощью специальных приборов — детекторов масляных паров («Гравинер» и др.). Некоторые фирмы устанавливают систему защиты дизеля (остановка двигателя), которая срабатывает при достижении предельной концентрации масляных паров в картере.

Рамовые подшипники

Рамовые (коренные) подшипники служат опорой для рамовых (коренных) шеек коленчатого вала. В судовых дизелях применяют подшипники скольжения.Условия работы и нагрузки на подшипники определяются многими факторами, из которых основными являются: величина и характер нагрузки; скорость скольжения шейки вала; масляный зазор; сорт масла, его температура и расход через подшипник; свойства материалов основы вкладыша и антифрикционного рабочего слоя.

Подшипники монтируются в поперечных балках фундаментной рамы и состоят из следующих частей: верхнего 1 и нижнего 3 вкладышей. (Рис. 43) Для регулировки масляного зазора в подшипнике предусмотрен набор прокладок 2. Смазка к подшипнику подводиться по каналу 4. Сверху подшипник закрывается крышкой 5. которая у крупных дизелей для удобства демонтажа выполняются из двухчастей.Конструкция рамовых подшипников позволяет вынимать вкладыши без подъема коленчатого вала.

По конструкции различают рамовые подшипники с толс­тостенными (обычно двухслойными) и тонкостенными (многослойными) вкладышами, подвесные и установочные (опорно-упорные). Толстостенные вкладыши (верхний и нижний) плотно приго­няют к постели и крышке подшипника. Тонкостенные вкладыши к гнездам не пригоняют, а устанавливают с натягом. Верхний толстостенный вкладыш фиксируют от разво­рота штифтом. Осевое смещение вкладышей предотвращается буртами или штифтами.

Рис. 43 Рамовый подшипник:

1-верхний вкладыш; 2-прокладки; 3-нижний вкладыш; 4-канал подвода масла

В некоторых конструкциях остова рамовые подшипники прикреплены к станине снизу (подвес­ные подшипники). Подвесные рамовые подшипники воспринимают полное давление газов и силы инерции, поэтому их нижние половины делают всегда массивными и крепят к станине верти­кальными шпильками и поперечными болтами . Такие конструкции позволяют значительно сни­зить массу остова и упростить центровку подшипников относительно оси коленчатого вала.

Для предотвращения осевого перемещения коленчатого вала один из рамовых подшипников (со стороны маховика или шестерни привода распределительного вала) делают установочным (опорно-упорным рис.44), что позволяет сохранить номинальные зазоры в шес­теренной передаче во время работы дизеля. Коленчатый вал нагревается и удлиняется больше, чем фундаментная рама (удли­нение 1 м длины вала составляет 0,01 мм/ °С), поэтому для обеспе­чения свободного удлинения вала при его нагреве в одном направ­лении в установочном подшипнике предусматривают минимальный осевой зазор, а остальные рамовые подшипники выполняют мень­шей длины, чем рамовые шейки вала. У установочного подшипни­ка имеются залитые антифрикционным сплавом торцовые упорные поверхности, съемные упорные кольца или сегменты, в которые упираются бурты рамовой шейки или торцовые поверхности щек кривошипов.

Рис.44 Вкладыши коренных подшипников коленчатого вала а - опорного подшипника; б - опорно-упорного подшипника

Установочный подшипник не рассчитан на упор гребного вин­та, поэтому при работе дизеля на винт предусматривают судовой упорный подшипник (отдельный или встроенный в раму дизеля). При наличии установочного и судового упорного подшипника осе­вой зазор в последнем должен быть меньше.

Цилиндровые втулки

К числу наиболее ответственных элементов остова относятся цилиндровые втулки. Внутренняя часть втулок, ограниченная с одной стороны крышкой цилиндра, а с другой – днищем поршня, образует камеру сгорания. Стенки втулок служат направляющими для поршня при его возвратно-поступательном движении, поэтому внутренняя поверхность цилиндра, так называемое зеркало цилиндра, тщательно обрабатывается.

Во время работы двигателя стенки втулок находятся под воздействием давления газов, а также боковых сил трения, возникающих при движении поршня. Вследствие этого втулки должны быть достаточно прочными и жесткими, чтобы противостоять действующим силам, а внутренняя поверхность должна обладать хорошей износоустойчивостью.

Втулки нагреваются горячими газами, а также в результате трения поршня и поршневых колец о стенки. Чтобы температура стенок втулки и температурное напряжение в них были в допустимых пределах, применяется охлаждение цилиндровых втулок, которое может быть воздушным или жидкостным. Особенно интенсивное охлаждение требуется для наиболее нагревающейся части цилиндровой втулки – камеры сгорания.

Воздушное охлаждение применяется преимущественно в маломощных двигателях.

При жидкостном охлаждении, применяемом в большинстве двигателей различного назначения, вокруг втулок создается полость охлаждения. В маломощных двигателях цилиндры обычно выполняют в виде общей отливки, т. е. в виде блока цилиндров, что повышает жесткость корпуса и уменьшает его размеры и массу. Блоки цилиндров отливают из серого чугуна или алюминиевого сплава. Чугунные блоки обладают высокой прочностью и имеют сравнительно малую стоимость.

Рабочей поверхностью втулки в чугунных блоках может служить обработанная поверхность самого блока. Применение вставных цилиндровых втулок позволяет увеличить срок службы блока цилиндров путем замены изношенных втулок, а также изготовлением втулок из высококачественного износостойкого чугуна или стали. Если вставленная в блок втулка не соприкасается с охлаждающей жидкостью, то ее называют сухой втулкой.(Рис.45.а) Сухие втулки устанавливаются преимущественно в двигателях с диаметром цилиндра до 200 мм.

 

Рис. 45 Установка цилиндровых втулок

а – сухая втулка; б – мокрая втулка

Кроме сухих втулок, в цилиндрах двигателей с жидкостным охлаждением применяются мокрые втулки. В этом случае наружная поверхность гильзы омывается охлаждающей жидкостью. Мокрые втулки (рис45 б) устанавливают сверху в блок цилиндров.

Центрирование втулки в отверстии блока достигается с помощью верхнего и нижнего цилиндрических поясов. Опоры втулки могут быть на различной высоте, необходимо лишь обеспечить возможность ее свободного удлинения при нагреве. В средней части втулки между гильзой и блоком образуется пространство – полость охлаждения (рубашка охлаждения), по которой циркулирует охлаждающая жидкость. Для предотвращения утечки воды в картер нижний пояс втулки уплотняют резиновыми кольцами.

Цилиндры и блоки цилиндровых втулок

По конструкции блоки выполняют в виде одной литой детали - блока цилиндров (Рис.46) или в виде составного блока цилиндров (Рис.47)

Рис. 46 Блок цилиндров тронкового дизеля

Рис. 47 Составной блок цилиндров из литых цилиндров и цилиндровая втулка:

1-люки; 2-фланцы; 3-болты; 4-цилиндр; 5-каналы для анкерных связей.

Вода поступает в нижнюю часть этой полости, омывает цилиндровую втулку, поднимается вверх и по перепускным патрубкам перетекает в полость охлаждения цилиндровой крышки. В каждом цилиндре предусмотрены люки 1 для осмотра и очистки зарубашечного пространства.

Рис. 48 Цилиндр и цилиндровая втулка двухтактного двигателя:

1 – крышка цилиндра; 2, 8 – резиновые кольца; 3,7 – составные втулки; 4 – проставка; 5 – лючок;

6 – продувочные окна; 9 – приемный патрубок охлаждающей воды; 10 – рубашка цилиндра;

11,16 – смотровые лючки; 12 – втулка; 13 – стальное кольцо; 14 – патрубок; 15,17 – шпильки.

Рис.49 Судовой  дизель Wartsila-Sulzer RTA96-C. 

Крышки (головки) рабочих цилиндров

Крышка цилиндра (головка) относится к неподвижным деталям двигателя и служит для плотного закрытия цилиндра, образования камеры сгорания (вместе с днищем поршня и стенками втулки), раз­мещения различной арматуры.

Во время работы дизеля она подвергается воздей­ствию больших механических и термических нагрузок из-за неравномерного нагрева отдельных ее частей. Поэтому крышка должна иметь достаточную прочность и жесткость.

В зависимости от раз­меров цилиндра и осо­бенностей двигателя го­ловку выполняют блоч­ной, общей на все или несколько цилиндров, или инди­видуальной на каждый цилиндр. По форме крышки бывают четырех -, шести - восьмигран­ные или круглые. Многогранная и круглая формы крышки дают воз­можность расположить крепежные шпильки по окружности, увеличить их число и уменьшить диаметр, а следовательно, уменьшить про­гиб участков крышки между шпильками и усилие затяга шпилек.

Форму огневого днища выбирают из условия обеспечения качественных процессов смесеобразования и газообмена с учетом возникающих в нем напряжений (напряжения растяжения нежела­тельны).

Крышки четырех- и двухтактных дизелей с прямоточно-клапанной продувкой конструктивно подобны.

Более сложная по конструкции цилиндровая крышка четырехтактного дизеля. (Рис.49)

Рис.49 Крышка цилиндров четырехтактного дизеля.

1- гнездо (седло) клапана; 2-впускной клапан; 3-гнездо для форсунки;

4-выпускной клапан; 5-цинковый протектор; 6-крышки для очистки водяных полостей;

7-патрубок подвода охлаждающей воды; 8-патрубок подвода пускового сжатого воздуха;

9-стойка; 10-ось коромысла; 11- коромысло; 12- скоба; 13- шпилька;

14-предохранительный клапан; 15-регулировочный золотник; 16- термометр;

17-перепускное устройство; 18-корпус крышки

Вода для охлаждения крышки подводиться из фланцевой части ци­линдровой втулки. Поток воды последовательно охлаждает огневое днище, стаканы форсунки и клапанов (часто непосредственно седла клапанов), каналы для газа и воздуха. Для улучшения охлаждения наиболее нагретых поверхностей в крышке отливают направляющие стенки и устанавливают специальные патрубки или сопла. Вода из крышки отводится из наиболее высокой точки полости охлаждения, что предотвращает образование застойных зон, воз­душных и паровых мешков.

Крышка цилиндров дизеля «MAN – B&W» модели 6S60ME-G18-TI является принципиально новой конструкции (Рис.50) и предста­вляющей массивную плиту, переходящую в цилиндр с развет­вленной системой отверстий для циркуляции охлаждающей жидкости.

Рис. 50. Крышка цилиндров дизеля «MAN – B&W» дизеля 6S60ME-G18-TI

В качестве материалов для крышек и головок применяют серые легированные чугуны СЧ 18 и СЧ 20; высокопрочный чугун и алюминиевые сплавы. Крышки цилиндров крупных судовых малообо­ротных двигателей изготовляют из низколегированной стали типа 20ХМ, которые обеспечивают работоспособность днища в усло­виях высоких температур, характерных для форсированных малооборотных двигателей

Материал для изготовления крышек малооборотных двигателей (МОД) — легиро­ванная сталь (молибденовая или хромоникелевая), крышек среднеоборотных двигателей (СОД) — легированный чугун с присадками молибдена, хрома, никеля или серый чугун. В высокофорсированных дизелях получили применение составные крышки: огневую часть составных крышек изготавливают из легированной стали, верхнюю — из чугуна или углеродистой стали.

Анкерные связи

Анкерные связи предназначены для разгрузки деталей остова от разрывающих усилий, вызываемых давлением газов на поршень и крышку цилиндра, и связывания их в единую жесткую систему.

В анкерной конструкции детали остова постоянно испытывают напряжения сжатия. Замена напряжений разрыва напряжениями сжатия особенно выгодна в чугунных деталях, так как чугун значительно лучше работает на сжатие. Это дает возможность выполнить детали остова относительно тонкостенными и снизить массу дизеля. Если детали остова изготавливают стальными сварными, то связи устанавливают для разгрузки сварных швов.

Материалом для изготовления анкерных связей служит высоколегированная сталь (Ст.18ХНМА, Ст.20ХН3А)

По конструкции различают связи длинные и короткие, цельные и составные. Длинные связи стягивают фундаментную раму, станину и блок цилиндров (рис.51); короткие связи соединяют только блок цилиндров и ресивер наддувочного воздуха. В некоторых мощных среднеоборотных дизелях (СОД) короткие связи стягивают только блок ци­линдров. Применение составных связей упрощает их монтаж. Для предотвращения резонансных колебаний анкерных связей часто ус­танавливают распорные винты.

Затяжку связей производят равномерно и в оп­ределенной последовательности. От равномер­ности затяжки связей зависит положение оси коленчатого вала и цилиндровых втулок в блоке дизеля. В последние годы для затяжки анкерных связей стали применять гидравлические домкраты.

В процессе эксплуатации двигателей необходимо систематически проверять затяжку связей. При ослаблении затяжки гаек связей рубашка цилин­дров приобретают небольшие смещения вверх (при каждом такте сжатие-сгорание и вниз на остальных ходах. Неболь­шие смещения, невидимые для глаза, можно зафиксировать с помощью линейного индикатора или уперев большой палец руки в верхнюю плоскость рубашки, а ноготь - в гайку связи. При обнаружении "дыхания" рубашки связи необходимо подтя­нуть в соответствии с рекомендациями фирмы. После под­тяжки обязательно проверить раскепы коленчатого вала)

Рис.51. Анкерные связи:

1- крышка цилиндра; 2 – рабочий цилиндр; 3 – анкерная связь; 4 – блок цилиндров; 5 – фундаментная рама