Современные судовые среднеоборотные двигатели. Издание 2 - Возницкий И.В.

Автор: Возницкий И.В.

Теги: судостроение судовые двигатели

Год: 2005

Похожие

Эксплуатация судовых дизельных энергетических установок. Часть 2

Необычные двигатели

Системы управления дизельными двигателями. BOSCH

Ремонт двигателей ЯМЗ

Текст

Учебное пособие
по специальности 2405
Издание 2
Санкт-Петербург 2005
Эту и другие книги И. В. Возницкого можно приобрести в кни-
готорговой компании ООО «МОРКНИГА»
ООО «МОРКНИГА» — это широкий ассорти- л
мент литературы по морской тематике: нормативной, \ ’
справочной, учебной, экономике морского флота, 'j
морскому праву, морскому английскому языку и / _ у
военно-морскому флоту.
Тел.: (095) 234-7928, тел./факс: (095) 759-2201
E-mail: morkniga@yandex.ru, info@morkniga.ru
www.morkniga.ru
В период с 2002 г. по 2005 г. Возницким И. В. написаны и изданы сле-
дующие книги:
1 .Практика использования морских топлив на судах —
2005 г. (изд. 3),
2 .Практические рекомендации по смазке судовых дизелей - 2005 г.
(изд. 3),
3 .Русско-английский и англо-русский технический и деловой сло-
варь судового механика — 2005 г. (изд. 5),
4 .Современные судовые среднеоборотные двигатели — 2005 г.
проверка
'"Я
2005 г.
ысланы
I книги
факсу:
(
e-man и jz@rol.ru, тел\ факс: (812
1. ±iciepoypr.
СЕРИЯ
те : в г ех :
И. В. возницкий
СОВРЕМЕННЫЕ
С I IE
ДВИГАТЕЛИ
Учебное пособие по специальности № 2405
Санкт-Петербург
2005
Возницкий И. В.
СОВРЕМЕННЫЕ СУДОВЫЕ
СРЕДНЕОБОРОТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Автор — Возницкий Игорь Витальевич,
професор Государственной Морской Академии
им. адмирала С. О. Макарова,
заслуженный работник высшей школы России
© Возницкий И. В., 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ................................................. 6
1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ .............................. 9
2. НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ ВЕДУЩИХ ФИРМ В ОБЛАСТИ
ОРГАНИЗАЦИИ ВПРЫСКА И СГОРАНИЯ ТОПЛИВА.................. 18
3. ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯМИ ..................... 32
4. ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭМИССИИ ВРЕДНЫХ
СОСТАВЛЯЮЩИХ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ .......................... 40
5. ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ.......................... 47
6. ДВИГАТЕЛИ ФИРМЫ «ВЯРТСИЛЯ».............................. 56
6.1 Двигатели L/R22..................................... 56
6.2 Двигатели L20....................................... 70
6.3 Двигатели L/V 26,32,38,46 и 64............... 78
6.4 Двигатели L32DF..................................... 87
6.5 Двигатели «Вяртсиля-Зульцер» Z-40................... 90
7. ДВИГАТЕЛИ ФИРМЫ «КАТЕРПИЛЛАР»........................... 98
7.1 Двигатели 3500 и 3600 серий.................. 98
7.2 Двигатели МАК — Катерпиллар Моторен М20, М32С и М43.106
8. ДВИГАТЕЛИ ФИРМЫ «МАН-БУРМЕЙСТЕР И ВАЙН».................116
8.1 Двигатели L 21/31 ................................. 117
8.2 Двигатели L 28/32 ................................. 122
8.3 Двигатели L 40/54, L48/60 и L58/64 ................ 126
9. ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................XXX
Таблица 1. Характеристики резьб ...............................
Таблица 2. Стандарты размеров труб.............................
ПРЕДИСЛОВИЕ
В течение последнего десятилетия ведущими двигателестро-
ительными компаниями велась интенсивная исследовательская и
проектно-конструкторская работа по переводу среднеоборотных дви-
гателей на дешевые тяжелые топлива и снижению эмиссии выхлопных
газов в связи с растущими требованиями защиты окружающей среды.
Параллельно решались задачи по повышению надежности и эффектив-
ности двигателей, снижению эксплуатационных расходов и повышению
долговечности.
В итоге, сегодня на рынке появилось принципиально новое по-
коление среднеоборотных дизелей, которые по многим показателям
могут успешно конкурировать с малооборотными дизелями. В новых
двигателях прежде всего были внесены изменения в топливопода-
чу — увеличены давления впрыска до 1500-1800 бар, обеспечена
оптимизация фаз подачи применительно к каждому режиму работы
двигателя. В ряде двигателей (Вяртсиля, Катерпиллар) внедряется
деление подачи на две фазы — предвпрыск и основная подача, се-
рийно выпускаются двигатели с электронным управлением. В целях
снижения образования NOx осуществляется впрыск в цилиндры
воды, двигатели переводятся на работу на водотопливной эмульсии.
Одновременно, совершенствуется работа систем воздухоснабжения,
особое внимание здесь уделяется проблемам снабжения двигателей
достаточным количеством воздуха в зоне пониженных нагрузок и на
переходных режимах. Существенно увеличены ресурсы основных
деталей, так, не смотря на сжигание тяжелых топлив, срок службы
головок поршней доведен до 60 тысяч часов, втулок цилиндров, под-
шипников, клапанов — 30 тысяч часов.
Перечисленные обстоятельства послужили основанием издания
книги, в которой читатель нашел бы все то новое, что внедрено в прак-
тику современного двигателестроения. Книга писалась исходя из того,
что она будет использоваться как учащимися морских учебных заве-
дений, так и специалистами и судовыми механиками, работающими
сегодня с подобными машинами.
6
При работе над книгой автор остановил свой выбор на двигателях
ведущих мировых дизелестроительных компаний, к числу которых
относятся «Вяртсиля», «Катерпиллар — МАК» и «МАН&БВ».
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность
представителям этих компаний за помощь в подборе материалов,
профессиональные советы и спонсорскую поддержку по изданию
книги:
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность
за предоставление материалов и спонсорскую поддержку по изданию
книги директору “Балтик Групп Интернешенел” Б. Комлеву, сотруд-
никам ООО “Катерпиллар СНГ” В. Романову и Н. Черемшанову,
президенту кампании DUAP (Швейцария) Geisser Heribert.
Книга рекомендуется к использованию в качестве учебного посо-
бия при изучении курса судовых двигателей внутреннего сгорания
в морских и речных высших и средних учебных заведениях, а также
будет полезна судовым механикам и специалистам служб судоходных
компаний.
7
1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Среднеоборотные двигатели занимают свыше 25% от общей мощ-
ности установленных на судах дизелей; в береговых электроэнерге-
тических установках они играют превалирующую роль.
В процессе совершенствования их конструкции двигателестро-
ительные фирмы исходили из требований обеспечить:
• Высокую удельную мощность (кВт/кг и кВт/л).
• Малые износы, высокую надежность и моторесурс при работе
на тяжелых топливах.
• Чистоту выхлопа, удовлетворяющую требованиям «Правил
1МО-2000».
• Низкие эксплуатационные расходы, включающие стоимость
расходуемого топлива и масла, затраты на техобслуживание и за-
пасные части.
• Низкую стоимость и трудоемкость в производстве, монтаже
на судне и в процессе технического обслуживания.
Реализация этих требований привела практически к созданию
среднеоборотных двигателей нового поколения, существенно отли-
чающихся от двигателей более ранних моделей, как по конструкции,
так и по организации рабочего процесса.
Была продолжена форсировка рабочего процесса с использованием
газотурбинного наддува. Современный уровень среднего эффек-
тивного давления судовых среднеоборотных дизелей составляет 2,1—
2,9 МПа. Фирмой «Вяртсиля» существенно пересмотрена организация
наддува, позволяющая одновременно использовать преимущества
импульсного наддува и наддува при постоянном давлении (см. систему
наддува SPEX, стр. 85). Фирма МАН совместно с японским лицензиа-
тором адаптировали широко используемую в малооборотных дизелях
систему постоянного наддува применительно к 4-х тактным машинам
и стала ее применять в своих последних моделях.
Переход с ранее применявшегося импульсного наддува на систему
постоянного наддува предоставляет следующие преимущества:
8
• Более высокий кпд ГТК,
• Более простая и надежная конструкция выхлопных трубо-
проводов,
• Достигается более ровная температура газов за цилиндрами и
• Обеспечивается больший запас по помпажу компрессора.
Но одновременно теряются такие преимущества импульсного над-
дува, как лучшее обеспечение двигателя воздухом на малых нагрузках.
Это обстоятельство не могло не учитываться, так как большинство
среднеоборотных двигателей используются в качестве главных на
паромах, круизных судах, буксирах, траулерах и в качестве вспомо-
гательных дизель-генераторов. Для них значительную долю времени
составляют малые и средние нагрузки, а также, переходные режимы.
Обычно работа на малых нагрузках и, особенно, на переходных ре-
жимах сопровождается ухудшением сгорания топлива и дымным
выхлопом, связанными с ухудшением распыливания топлива, паде-
нием давления наддува и нарушением воздухоснабжения. Поэтому
первоочередная задача состояла в том, чтобы обеспечить стабильную
и экономичную работу двигателей не только на режимах полных или
близких к ним нагрузок, но и на перечисленных режимах.
Известно, что 4-х тактные двигатели, как правило, располагают
значительным резервом энергии выхлопных газов и это вынуждает в
ряде случаев прибегать к байпасированию газов перед ГТК. Это об-
стоятельство было использовано фирмой МАИ. Путем перенастройки
рабочего аппарата газовой турбины на оптимум в зоне частичных
нагрузок была увеличена ее мощность в этом диапазоне в ущерб КПД
и мощности на полной нагрузке. Компенсация потери мощности на
полной нагрузке в этом случае достигается увеличением подачи газов
на турбину путем сокращения их байпасирования.
Чтобы не терять кпд турбокомпрессора на полной нагрузке,
можно отмеченную перенастройку осуществлять в процессе работы
двигателя. Для этого использовать сопловый аппарат с меняющейся
геометрией. При работе на малых нагрузках использовать сопловый
аппарат с малым проходным сечением, а при переходе на полные на-
грузки — использовать аппарат с большими проходными сечениями.
Для турбин радиального типа фирма МАК разработала конструкцию
с двумя сопловыми аппаратами — один для частичных нагрузок и
второй для нагрузок от 80% и выше (рис 1-1).
Эти два аппарата размещаются в корпусе турбины и перемещаются
пневматически в зависимости от изменения положения рейки топ-
ливных насосов. В результате было достигнуто улучшение сгорания
топлива на частичных нагрузках, увеличился развиваемый крутящий
9
момент и на 5% уменьшился
расход топлива. Еще раз отме-
тим, что это решение позволило
избежать компромисса преды-
дущего варианта, когда в угоду
малых нагрузок приходилось
идти на снижение кпд на полных
нагрузках.
Отмечаемое в последние
годы ужесточение норм эмиссии
в выхлопных газах сажистых
частиц (дымность выхлопа) и и
окислов азота (NOx) заставило
двигателестроителей искать пути
радикального совершенствова-
ния процессов сгорания топлива,
не ограничиваясь ранее отдельно
Рис 1-1. Сменяемый
сопловый аппарат ГТК.
осуществляемыми мерами по
улучшению воздухоснабжения, топливоподачи и пр. Фирма Катер-
пиллар первой перешла к интегрированной системе, когда отдельные
усовершенствования взаимоувязываются и взаимодополняют друг дру-
га. Подобная система получила наименование ACERT (см. рис 1-2).
Рис 1-2. Интегрированная система совершенствования
рабочего процесса двигателей.
10
Наряду с внедрением системы электронного управления двигате-
лем, в основном, оптимизирующей фазы подачи топлива в цилиндры
при изменении скоростного режима , в задачу электроники была
включена задача управления фазами открытия и закрытия впускных
клапанов. Это позволило оптимизировать поступление надувочного
воздуха в зависимости от режима двигателя, температуры и давления
воздуха, температуры в системе охлаждения и пр., что существенно
улучшило качество сгорания топлива и чистоту выхлопа. В целях
улучшения воздухоснабжения на переходных режимах, когда резко
меняются нагрузка и обороты двигателя, устанавливаемый на двига-
тель один турбокомпрессор был заменен на два меньших размеров и
соответственно с меньшими массами. Это способствовало снижению
инерционности при наборе оборотов ГТК и, тем самым, — более быст-
рому росту давления наддува и количества подаваемого в цилиндры
воздуха, что необходимо, когда подача топлива резко увеличивается
и при недостатке воздуха двигатель начинает дымить.
Система ACERT была распространена и на двигатели МАК,
производство которых осуществляется объединенным концерном
«Caterpillar Motoren — МАК». В среднеоборотных двигателях МАК
М43 были усовершенствованы ГТК, подняты давления впрыска и
введено управление фазами топливоподачи. В целях улучшения сме-
сеобразования были внесены изменения в конфигурацию камеры сго-
рания. Также, организовано управление фазами открытия и закрытия
впускного клапана, осуществляемое с помощью перемещения рычагов
привода клапанов относительно кулачных шайб клапанов и топлив-
ного насоса (см стр. 109 и рис 7-10). С переходом на малые нагрузки
ролик рычага привода топливного насоса, сидящего на валу с эсцент-
риками,при повороте
вала переходит на бо-
лее крутой участок
профиля, скорость
движения плунжера
растет, а с ней увели-
чиваются давления
впрыска, одновремен-
но раньше начинается
подача топлива (см.
рис 1-3).
Рис 1-3. Изменение фаз газораспределения и скорости
плунжера ТНВД.
11
На этом же рисунке (вверху) показаны кривые подъема и посадки
впускного клапана. С переходом на малые нагрузки фазы открытия и
закрытия клапана меняются на более поздние, что, по утверждению
фирмы, обеспечивает более эффективное сжатие воздуха в рабочих
цилиндрах. С ростом давления впрыскивания достигается более тон-
кое распиливание топлива и более полное его сгорание. Испытания
на двигателе М 43 показали, что в диапазоне 2-10% нагрузки эмиссия
NOx снизилась на 35%, видимое дымление отсутствует.
Следующая проблема, которую двигателестроителям пришлось
решать, состояла в том, что температуры воздуха и газов в камере сго-
рания на частичных режимах существенно ниже и это неблагоприятно
отражается на задержке воспламенения. Затягивание воспламенения
приводит к неполному сгоранию и прочим, связанным с этим последс-
Рис. 1-4. Регулятор разгона ГТК на переходных режимах
наброса нагрузки.
12
твиям. Поэтому Вяртсиля и ряд других фирм при переходе двигателя
на нагрузки менее 45% прибегают к отключению охлаждения надду-
вочного воздуха и включают его подогрев.
Причиной неполного сгорания топлива , сопровождающегося
дымлением на выхлопе, обычно проявляющееся при резких набросах
нагрузок, является инерционность ГТК, не успевающего увеличить
подачу воздуха вслед за увеличением подачи топлива. Сегодня для
ускорения раскручивания ротора ГТК стали подавать на лопатки ком-
прессора сжатый воздух, используя для этого дополнительно устанав-
ливаемые сопла и лямбда-регуляторы, (см. рис 1-4). При увеличении
нагрузки регулятор числа оборотов стремится переместить топливную
рейку в сторону увеличения подачи топлива. Однако, давление над-
дува еще низкое, подача воздуха недостаточна и поршень сервомотора
лямбда-регулятора ограничивает движение топливной рейки и одно-
временно включает соленоид клапана, открывающего подачу сжатого
воздуха на лопатки компрессора ГТК . Поступление воздуха на ГТК
прекращается с ростом его оборотов и давления наддува.
Давно уже перед двигателестроителями стояла задача -перевес-
ти среднеоборотные двигатели на тяжелые топлива, чтобы на судне
могло использоваться единое топливо. Это диктовалось существенно
более низкой стоимостью тяжелых топлив в сравнении с дизельными
(примерно в два раза). Если сначала решение этой задачи казалось
маловероятным, то сегодня все ведущие фирмы ее успешно решили.
Если при переводе мощных малооборотных двигателей на тяжелые
топлива основные мероприятия сводились к организации надлежащей
подготовки топлив, то решение этой задачи применительно к средне-
оборотным двигателям потребовало еще и радикальных преобразо-
ваний в организации рабочего процесса.
Прежде всего были усовершенствованы процессы смесеобразова-
ния и сгорания. С этой целью была увеличена мелкость распиливания
путем увеличения давления впрыска топлива до 1200 -1500 бар. Более
высокие давления впрыскивания около 2000 бар оказываются неоп-
равданными, так как резко растут нагрузки на сопловые наконечники,
сопровождающиеся их разрывом. С увеличением нагрузок на привод
ТНВД приходится усиливать распределительный вал и его шестерен-
чатый привод.
Если при переводе мощных малооборотных двигателей на тяжелые
топлива основные мероприятия сводились к организации топливооб-
работки и подготовки топлив, то решение этой задачи применительно
к среднеоборотным двигателям потребовало радикальных преобраз-
ований в организации рабочего процесса.
13
Скорость
градлкв
Рис. 1—5. Влияние степени сжатия на скорость
тепловыделения при сгорании.
Тяжелые топлива состоят из тяжелых фракций, обладающих более
длительным периодом подготовки к сгоранию (ринд и меньшими ско-
ростями горения. При работе двигателя на таких топливах особенно
в зоне частичных нагрузок, когда давления и температуры в конце
сжатия низкие, фИ1 увеличивается и сгорание топлива смещается
в сторону запаздывания. Количество топлива, накапливающегося
в камере сгорания за этот период, увеличивается. Последующее
самовоспламенение большой массы топлива приводит к росту ско-
ростей нарастания и величины давления, что влечет за собой рост
механических нагрузок, особенно, в подшипниках. Топливные струи,
не выгорая по пути, бьют по стенкам рабочего цилиндра. Смещение
сгорания на линию расширения приводит к падению экономичности
работы двигателя. Чтобы ускорить физические и химические процессы
подготовки к сгоранию необходимо было поднять давления и темпе-
ратуры в цилиндре в момент впрыска топлива. При модернизации
двигателей это было достигнуто увеличением степени сжатия с 10,5-11
14
до 14-15,5. Известно, что с увеличением £ повышается термический
КПД цикла, что несомненно полезно, но одновременно с ростом дав-
лений в момент впрыска топлива увеличивается и максимальное
давление ци кла, что влечет за собой рост механических напряжений в
элементах ЦПГ и кривошипно-шатунного механизма. Чтобы избежать
роста Pz конструкторы прибегли к смещению начала подачи топлива
(угла опережения) в сторону запаздывания при одновременном со-
кращении продолжительности подачи таким образом, чтобы степень
повышения давления при сгорании не выходила за пределы 1,1 и не
увеличивалось догорание топлива на линии расширения. В двига-
теле Вяртсиля 46 угол опережения впрыска ранее составлял 10-12°
после модернизации он был сокращен до 2-3° до ВМТ. Сокращение
продолжительности подачи было обеспечено увеличением диаметра
сопловых отверстий и повышением скорости движения плунжера
ТНВД путем перепрофилирования топливного кулака. Как видно из
рис. 1-5 скорость тепловыделения, а с ней и скорость роста давлений в
цилиндре с увеличением степени сжатия существенно уменьшаются.
Достигнутые в итоге отмеченных преобразований изменения в про-
текании рабочего процесса хорошо видны на рис. 1-6. Рабочий цикл
сегодня практически сведен к циклу с подводом тепла при постоянном
давлении, с которого начиналась история дизелей (Рудольф. Дизель
в своем патенте предложил цикл Р = пост.).
ТОО
Рис. 1-5. Кривые давлений в рабочем цилиндре при:
А — традиционной организации процесса,
В — увеличении давления сжатия и снижении,
X=Pz/ Рс путем переноса сгорания за ВМТ.
ТОС
Здесь важно отметить, что переход от цикла со смешанным под-
водом тепла к циклу Р = пост, должен был привести к снижению
экономичности. Но одновременное увеличение степени сжатия и
15
сокращение продолжительности подачи при одновременном повы-
шении тонкости распиливания топлива позволили конструкторам
удержать его расход на прежнем уровне и, при этом, решить главную
задачу — обеспечить эффективную работу двигателей на тяжелых
топливах и уменьшить образование NOx.
В процессе доработки дизелей ряд фирм увеличили отношение
хода поршня к диаметру цилиндра (до 1,5), это позволило увеличить
высоту камеры сгорания и, тем самым, создать лучшие условия для
развития факела топлива, смесеобразования и сгорания. Одновре-
менно с увеличением S/D снизили частоту вращения. Это понизило
среднюю скорость поршня и скорость изнашивания ЦПГ.
Форсировка двигателей и использование в них тяжелых топлив
потребовали особое внимание обратить на их тепловую напряжен-
ность, особенно, в зоне камеры сгорания. В целях снижения темпера-
тур и более равномерного их распределения (снижения температурных
перепадов) охлаждение деталей камеры сгорания было организовано
по принципу канального, позволяющего приблизить охлаждающую
жидкость к тепловоспринимающим поверхностям. Это наряду со сни-
жением температур, позволило уменьшить температурные перепады
и вызываемые ими деформации и температурные напряжения.
Особое внимание уделялось температурным полям:
• Рабочей поверхности втулки цилиндра — во-избежание низко-
температурной (сернистой) коррозии она не должна опускаться
ниже 130° и подниматься выше 160-180°. В последнем случае
будет иметь место интенсивная полимеризация масла с образо-
ванием лако- и нагароотложений.
• Поршня в зоне поршневых колец — не выше 160° в целях предот-
вращения нагарообразования в кепах и на внутренней охлаж-
даемой поверхности головки.
• Крышки цилиндра в зоне расположения седел выхлопных кла-
панов — не выше 450° во-избежание высокотемпературной (Na-V)
коррозии седел и клапанов.
Алюминиевые поршни в большинстве конструкций были заменены
на чугунные, изготовленные из высокопрочного и износоустойчивого
чугуна со сферическим графитом, либо на составные с головками,
изготавливаемыми из жаропрочной стали.
Большое внимание было уделено организации смазки ЦПГ.
Традиционно применяемая в тронковых двигателях смазка раз-
брызгиванием в двигателях «Вяртсиля» была заменена на принуди-
тельную подачу масла в зазор между тронком и втулкой цилиндра через
каналы в самом поршне (см. рис. 6-3). В двигателях «Зульцер-740» была
16
введенена принудительная смазка цилиндров под давлением от лубри-
катора. Эти решения снизил и износыЦПГи уменьшили расход масла до
0,5 — 1 г/кВтч, что на сегодняшний день для тронковых двигателей
является рекордно низким.
Ведущие судовладельческие компании в последнее десятилетие
под знаком снижения эксплуатационных расходов систематически
сокращают численность машинной команды, а это диктует необходи-
мость 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, затрудня-
ющее выполнение трудоемких работ в эти периоды.
Нельзя не учитывать и наблюдаемое снижение квалификации
судовых механиков, для которых выполнение ряда сложных работ
по моточистке представляется довольно сложным и, в связи с этим,
нередки ошибки. В подтверждение сказанному по данным морских
। страховщиков более 50% поломок у вспомогательных дизелей при-
ходится на первые 500 часов их работы после моточистки, при этом
основной причиной является человеческий фактор.
Рис. 1-7. Модульная компоновка двигателя. к ' г
17
Изложенные обстоятельства послужили основанием для ра-
дикального изменения компоновочных схем двигателей 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 со-
единений на самоуплотняющиеся разъемы типа plug-in («папа-мама»)
существенно упростило операции по разборке двигателей.
Типичным примером модульного решения может служить ил-
люстрация, показанная на рис. 1-7.
Здесь навешенные на двигатель насосы охлаждения и смазки,
охладители, терморегуляторы, масляный самоочищающийся фильтр
и подсоединенные к ним трубопроводы интегрированы в одну короб-
чатую конструкцию, закрепляемую на фронтовой части остова двига-
теля. Вся цилиндро-поршневая группа, включая поршень с шатуном,
втулку цилиндра и крышку может быть демонтирована как одно целое.
Предполагается, что эти интегрированные элементы заменяются
судовым персоналом на поставляемые фирмой комплекты новые или
заранее отремонтированные в условиях ремонтного предприятия,
обладающего высококвалифицированным персоналом. Фирма MAN
включает в число модульно заменяемых элементов также:
• Турбокомпрессор
• ТНВД
• насосы охлаждающей воды
• насос смазочного масла.
Переход на новую технологию позволяет вернуть двигатель в
его исходное рабочее состояние и в этом случае фирма гарантирует
эксплуатацию агрегата на протяжении 12000 часов до следующего
ремонта.
18
2. ПОСЛЕДНИЕ РАЗРАБОТКИ ФИРМ
В ОБЛАСТИ ОРГАНИЗАЦИИ
ВПРЫСКА ТОПЛИВА
Впрыск топлива в рабочие цилиндры в большинстве среднеобо-
ротных двигателей и, в том числе, в двигателях «Вяртсиля» осущест-
вляется по традиционной схеме, включающей топливные насосы вы-
сокого давления золотникового типа с регулировкой по концу подачи
и форсунки с многодырчатыми неохлаждаемыми распылителями.
Если при переводе мощных малооборотных двигателей на тяжелые
топлива основные мероприятия сводились к организации топливооб-
работки и подготовки топлив, то решение этой задачи применительно
к среднеоборотным двигателям не ограничивалось этими мерами, а
потребовало радикальных преобразований в организации впрыска
топлива и рабочего процесса. Известно, что чем меньше размер капель
топлива, образующихся при его распыливании, тем быстрее будут
проходить процессы их испарения и химические реакции подготовки
к воспламенению. Мелкость распыливания находится в прямой зави-
симости от скоростей истечения топлива через сопловые отверстия, а
это определяется давлениями впрыска и диаметром сопловых отверс-
тий. В последние годы все фирмы идут по пути увеличения давлений
впрыска. Интересна эволюция максимальных давлений впрыска в
двигателях. Так у двигателей 26МТВ (1960 г.) оно составляло 650-700
бар, в двигателях 23/30 и 28/32 (1973-1983 гг.) — 800-900 бар, то в сов-
ременных двигателях 16/24 и 21/21 максимальное давление впрыска
поднято до 1500-1600 бар. Одновременно увеличивалось и давление
открытия иглы форсунки со 160-190 до 350-450 бар.
Рядом фирм, в том числе Катерпиллар, Вяртсиля, МАИ был
внедрен двухступенчатый впрыск топлива, сущность которого со-
стоит в подаче в цилиндр небольшой порции топлива (pilot injection),
предшествующей основной подаче (рис. 2-1 и 2-2).Необходимость
подобной организации процесса впрыска обусловливается плохой
воспламеняемостью тяжелых топлив и продолжительным периодом
задержки воспламенения, в процессе которого топливо накапливается
в цилиндре и только затем воспламеняется. Одновременное воспла-
19
менение и сгорание накопившейся массы топлива сопровождается
большими скоростями сгорания и жесткой работой двигателя — см.
рис. 2-3 (жирные линии).
Наличие предвпрыска создает условия для более мягкого и пол-
ного сгорания, так как основная подача происходит в момент, когда в
цилиндре появляется пламя от сгорающей предварительно поданной
порции топлива, поэтому воспламенение основной массы происходит
практически мгновенно и процесс сгорания идет с значительно мень-
шими скоростями (тонкие линии рис. 2-3), определяемыми скоростью
поступления топлива в цилиндр В двигателях «Вяртсиля» предвпрыск
осуществляется с использованием стандартного ТНВД, в котором
установлен дополнительный нагнетательный клапан с более слабой
пружиной, первым открывающийся в начале нагнетательного хода
плунжера (рис. 2-4).
От этого клапана топливо по топливной трубке направляется к
форсунке, дополнительно установленной в крышке цилиндра (рис.
ОСНОВНАЯ
ПОДАЧА
В.М.Т. УГОЛ П.К.В.
Рис. 2-1. Два этапа впрыска топлива (Pilot injection)
(Main injection).
20
основн.подача предв. подача
М /
------------------------
3 ///'...................\ с
(2Z , J
струя жидклоплива
распыленное топливо \ \\ сопловое
„Доооо-—отверстие
.. . . W
\ г //
\ диффуз.сгор движ.возд.индуцир
\ струей топлива
• crop.начинающееся
сразу после периода индукц
Рис. 2-2. Камера сгорания двигателя с дополнительной
форсункой для предварительного впрыска топлива.
По мере роста давлений открывается основной нагнетательный
клапан и через него и ранее открытый дополнительный клапан осу-
ществляется основная подача топлива.
Vasa 6046 No 4000
Рис. 2-3. Сравнение кривых скоростей сгорания «А» и развития
давлений в цилиндре «В» при традиционной подаче топлива и
с предвпрыском.
21
К основной
форсунке
Нагнетательный
клапан--------
рейка
Отбор утечек
К дополн.
форсунке
Подвод
масла
Антикавит.
пробка
Подвод
уплотняющего
масла
Рис. 2-4. Топливный
насос высокого давления,
обеспечивающий
п ред вари тел ьны й вп рыс к
топлива.
Дополнит.нагнетательный
клапан
Сальник утечек
Рис. 2-5. Двухплунжерпый ТНВД двигателя Вяртсиля L64.
Фазы подачи:
1 — наполнение насоса, 2 — плунжер, управляющий подачей, перекрывает
отсечное окно, излишнее топливо уходит через наполнительное окно,
3 — оба окна перекрыты, начинается нодача топлива к форсунке;
4 — отсечное окно открывается, начинается отсечка — конец подачи.
22
В двигателях Вяртсиля L64 радикально изменена конструкция
ТНВД. Обычно принятый одноплунжерный вариант насоса заменен на
двухплунжерный (см. рис. 2-5), в котором левый плунжер управляет мо-
ментом подачи топлива, а правый — величиной подачи. Это позволило:
• устанавливать угол опережения независимо от величины подачи;
• оптимизировать закон подачи, параметры впрыска в функции
режима путем перераспределения подачи между плунжерами;
• уменьшить диаметр плунжеров, а это повлекло за собой снижение
механических нагрузок на их привод и втулки плунжерных пар.
Меньшие деформации втулок позволили уменьшить зазоры в
плунжерных парах и утечки через них.
Топливоподача, основанная на использовании насос-
форсунок (Катерпиллар)
Фирма «Катерпиллар» в своих двигателях в основном применяет
насос-форсунки, в которых ТНВД и форсунка объединены в один
общий корпус (см. рис. 2-6 и 2-7).
Рис 2-6. Механический привод насос-форсунки.
1 — распределительный вал с топл. кулачком, 2-3 — коромысло,
4 — крепление насос-форсунки, 5 — корпус насос-форсунки,
6—Элементы крышки цилиндра, 7 — поршень, 8—пружи на тол кател я
плунжера, 9, 10 — привод рейки управления топливоподачей,
И — угловой рычаг, 12 — рейка разворота плунжера.
23
Рис. 2-7. Насос-форсунка с механическим приводом.
Это конструктивное решение устраняет топливопровод высокого
давления, в котором развиваются волны давления, нередко приводя-
щие к дробному, прерывистому впрыску и, тем самым, нарушающие
процесс распиливания и сгорания топлива. Отсутствие топливоп-
ровода высокого давления облегчает задачу обеспечения давлений
впрыска в 1500 бар и выше без опасений его разрывов и подтеканий.
Привод насос-форсунок осуществляется от кулачков распределитель-
ного вала через механизм, обычный для привода клапанов.
В насос-форсунке, показанной на рис. 2-7, плунжер насоса золот-
никового типа с косой кромкой, обеспечивающей при его повороте
изменение количества впрыскиваемого топлива. Поворот плунжера
осуществляется вращением насаженной на нем шестерни и входящей
с ней в зацепление рейки. Рейка связана с тягой, которая перемещает-
ся сервомотором регулятора числа оборотов. Регулирование порции
впрыскиваемого топлива осуществляется изменением момента конца
24
подачи, начало подачи топлива остается неизменным и равным углу
опережения, заданному фирмой для основного режима. Регулировка
равномерности распределения топлива по цилиндрам достигается
установкой реек управления подачей в одинаковое положение. Регу-
лировка угла опережения достигается изменением крайнего верхнего
положения плунжера путем подкручивания регулировочного болта
на коромысле. Опускание плунжера (ввинчивание болта) приводит
к более ранней подаче, подъем — к более поздней.
. ккумуляторная система топливоподачи
Как уже отмечалось, топливоподающая аппаратура с механичес-
ким приводом плунжера обладает существенным недостатком — паде-
нием давленйя впрыска при снижении оборотов и нагрузки двигателя,
что приводит к образованию в процессе распыла капель чрезмерно
большого размера. Эти капли в процессе полета по камере сгорания
Рис. 2-8. Принципиальная схема аккумуляторной системы
топливоподачи.
25
не успевают испариться и сгореть, и ударяются о стенку цилиндра и
головку поршня, где они продолжают выгорать с поверхности, либо
образуют нагарные отложения. Неполное сгорание сопровождается
образованием сажи и дымным выхлопом. Чтобы этого избежать фирма
«Катерпиллар» прибегает к гидроприводу, позволяющему сохранить
давление впрыска неизменным в широком диапазоне оборотов.
Фирма «Вяртсиля» идет по пути применения апробированной в
двухтактных двигателях аккумуляторной системы топливоподачи, ко-
торая в отличие от системы с гидроприводом, рассчитанной на работу
на дизельном топливе, успешно используется при работе на тяжелых
топливах.
Система (рис. 2-8) включает следующие основные элементы:
• Электронный блок управления (микропроцессор);
• Топливные насосы высокого давления (по одному на два цилин-
дра);
• Аккумуляторы высокого давления;
• Форсунки.
Электронный блок управления
Основные задачи:
• Управлять фазами и количеством впрыскиваемого топлива;
• Управлять поддержанием необходимого давления в аккумуля-
торах.
Помимо изложенного, в функции блока входят ряд задач по обес-
печению безопасности, к числу которых относятся:
• защита от превышения давлений в аккумуляторе,
• мгновенный сброс давления при аварийной остановке,
• осуществление периодической циркуляции топлива в системе
во избежание его застывания при неработающем двигателе.
Для выработки управляющих сигналов электронный блок связан
с установленными на двигатель датчиками: положения ВМТ, давле-
ния и температуры топлива в аккумуляторе, давления гидромасла,
давления и температуры наддувочного воздуха, наличия утечки
топлива.
Топливный насос высокого давления (Рис. 2-9)
В задачу насоса входит наполнение аккумулятора топливом, и
поддержание в нем давления в пределах 900-1500 бар, определяе-
мого и задаваемого электронным блоком в качестве оптимального
для данного режима работы двигателя. Простым вариантом было бы
установить один насос высокого давления с приводом от коленчатого
26
ей
управл.
клапань
невозвр.
клапаны
\ к аккумулятору

вход
топ л.
Рис. 2-9. Топливный насос высокого давления.
вала и включающий несколько насосных элементов. Однако с выхо-
дом насоса из строя дальнейшая эксплуатация двигателя оказалась
бы невозможной. Этим можно объяснить, что в принятом фирмой
решении один насос и, связанный с ним аккумулятор, обеспечивают
работу только двух цилиндров. При его поломке работа двигателя
может продолжаться на оставшихся цилиндрах.
Разумным следует также признать использование в качестве
насосного элемента плунжерную пару традиционных ТНВД, давно
освоенных в производстве и имеющих высокую надежность. Чтобы
не использовать более дорогие пары большого диаметра и обеспечить
большую равномерность подачи, привод плунжера осуществляется от
распределительного вала, кулачек которого может состоять из 2-3 на-
гнетательных выступов. Чтобы избежать излишних потерь мощности
на сжатие порции топлива, большей того, что требуется для впрыска в
два цилиндра, объем сжимаемого топлива дозируется управляющим
клапаном подачи. На выходе сжатого топлива из насоса установлен
невозвратный клапан, задача которого отсечь возврат топлива из
аккумулятора.
27
соленоид
управл.
клапан
вход масла
вход топлива
вход топлива
Рис. 2-10. Форсунка.
Форсунка (Рис. 2-10)
Управление фазами впрыска в форсунке осуществляется уп-
равляющим клапаном, который приводится в действие соленоидом,
запитываемым током, поступающим от электронного блока. Далее
возможны два решения:
1. клапан открывает доступ топлива к игле и, последняя поднима-
ется под действием поступившего к ней топлива.
2. управляющий клапан не контактирует с горячим (до 150°) топ-
ливом, а управляет относительно холодным сжатым до 100 бар
маслом. Последнее перемещает расположенный ниже золотник,
который и открывает доступ топливу к игле. Фирмой принят
последний вариант, т.к. он исключает контакт тяжелого горячего
топлива с соленоидом, что могло бы отрицательно отразиться на
надежности его функционирования.
При контакте топлива, сжатого до высоких давлений и движущегося
в зоне седла клапана с большими скоростями, наблюдаются кавитацион-
но-эрозионные разрушения посадочных поверхностей. Это отмечается
при эксплуатации подобных клапанов в насос-форсунках Катерпиллар.
28
предохраните
потока
выход
к форсу
пробка
утечеек
Рис. 2-11.
Аккумулятор
топлива под
высоким давлением.
Поэтому использование в качестве управляющей жидкости масла, сжа-
того всего до 100 бар и поэтому движущегося в сечении под клапаном со
значительно меньшими скоростями, должно существенно уменьшить
риск эрозионного износа клапана. Важно также отметить, что в отличие
от традиционных решений в настоящей форсунке топливо, поступающее
под высоким давлением из аккумулятора, к игле попадает только через
золотник и только в период впрыска. Этим решением разработчики
устранили существенный недостаток аккумуляторных систем, когда
топливо, сжатое до высоких давлений, все время находится в камере
над уплотняющим пояском иглы и при потере плотности ее посадки
неизбежно протекает в зону сопловых отверстий и в цилиндр.
В рассматриваемом варианте все время, между впрысками, рабочая по-
лость иглы разгружена и, тем самым, возможность подтеканий исключена.
К существенному преимуществу наличия гидропривода иглы относится
также то, что игла открывается и закрывается практически мгновенно (ско-
рость менее 0.5 м/сек.). Отсутствие подтеканий и подвпрысков позволяет
успешно решать задачи с эмиссией выхлопных газов.
Аккумулятор (рис. 2-11), аккумулирующий сжатое топливо и
соединенный с форсунками на цилиндрах, по своему предназначению
должен представлять собой толстостенную трубу, протянутую вдоль
двигателя от первого до последнего цилиндра. Но в длинной трубе
аккумулятора, равно как и в трубках к форсункам, не исключено
образование волн давлений и скоростей, которые могут существенно
исказить распределение давлений по цилиндрам. Этим в определенной
29
Гидравл. привод
Давление
топлива
Частота вращения коленчатого вала,
об/мин
Рис. 2-12. Кривые давлений впрыска при механическом
и гидралическом приводах.
степени определяется то, что аккумулятор разделен на самостоятель-
ные части, получающие сжатое топливо от отдельного насоса и снабжа-
ющие топливом 2 форсунки, соединенные с ним короткими трубками.
Малый объем и малые скорости потоков исключают пульсацию, а
также позволяют сделать конструкцию более прочной и жесткой.
Насос-форсунки с гидроприводом
Фирма Катерпиллар приняла радикальное решение и заменила
механический привод плунжера ТНВД на гидравлический. Последний
позволяет удерживать давление впрыска постоянным и независимым
от оборотов двигателя (см. рис. 2-12) Чтобы избежать жесткого сгора-
ния при переходе на обороты ниже 30%, микропроцессор дает команду
на уменьшение давления масла в системе гидропривода плунжера,
давление впрыска снижается, а продолжительность подачи несколько
увеличивается. На рис. 2-13 показана насос-форсунка с гидравли-
ческим приводом и ее отдельные элементы. Плунжер 6 приводится в
движение силой давления масла на поршень 5 толкателя. Давление
создается гидронасосом 7 и масло направляется в аккумулятор, в
котором оно с помощью управляемого микропроцессором клапана
18 поддерживается постоянным и равным 220 бар. Из аккумулятора
масло поступает в насос-форсунки (рис. 2-13), в которых имеются
регулирующие клапаны 2 с двумя седлами 3 и 3,’ механически связан-
ные с сердечниками соленоидов. В момент, когда необходимо начать
подачу топлива в цилиндр микропроцессор подает ток на соленоид
напряжением 90 Вольт, сердечник тянет клапан вверх и он своим
30
Рис 2-13 Насос-форсунка с гидравлическим приводом .
1 —соленоид, 2 —регулир.клапан, 3 —тарелка клапана, 4 — Подвод
масла высокого давления, 5 — гидропоршень, 6 — плунжер, 7 —
подвод топлива, 8 — игла форсунки, 9 — распылитель, 10 — торец
плунжера, И — сверления, 12 — кольцевая проточка.
нижним седлом открывает проход масла к гидропоршню толкателя.
С этого момента начинается движение плунжера вниз. В момент
перекрытия торцом плунжера 10 впускного отверстия 7 начинается
нагнетательный ход плунжера. Давление топлива растет и открыва-
ет иглу форсунки 8. — это соответствует началу впрыска топлива в
цилиндр. Следует особо отметить наличие предварительной подачи
топлива — предвпрыск (см.кривую давлений впрыска, расположен-
ную внизу рис 2-13). Предвпрыск заканчивается в момент открытия
впускного отверстия кольцевой проточкой 12, которая сообщена
сверлениями И с нагнетательной полостью под плунжером. При
дальнейшем опускании плунжера кольцевая проточка уходит вниз и
начинается основная подача топлива .Организация подачи топлива
с предвпрыском, как уже отмечалось обеспечивает мягкое сгорание
топлива и менее шумную работу двигателя. Одновременно снижается
ударность нагрузки на подшипники, обычно вызываемая жестким
характером кривой сгорания в ее начальной фазе.
Давление впрыска при наличии гидропривода определяется про-
изведением давления масла на отношение площади поршня гидро-тол-
кателя плунжера к площади плунжера:
Рвпр = Рмасла х пл.поршня толкателя \ пл. плунжера.
В рассматриваемой конструкции соотношение площадей равно 6,
следовательно Рвпр = 220 бар * 6 == 1320 бар.
31
6
7
11
4 В
зА ' |\ W^w2©
2Г)\; I t 14 X |<->15 t ' / I
1 V 12 16
18
Рис. 2-14. Схема системы гидропривода насос-форсунок
Постоянство давления масла и, соответственно, давления топлива
вне зависимости от скоростного режима двигателя является важней-
шим преимуществом гидропривода. Каке известно давление впрыска
топливных насосов с механическим приводом падает пропорциональ-
но падению оборотов, при наличии гидропривода оно удерживается
неизменным (см. рис. 2-12). При необходимости давление впрыска
можно уменьшать и, тем самым, увеличивать продолжительность
подачи путем снижения давления масла, воздействуя через микро-
процессор на управляющий клапан 18 рис. 2-14.
Конец подачи (отсечка) происходит при отключении подачи тока на
соленоид. Пружина сажает его на нижнее седло, а через открывшееся
верхнее седло полость над поршнем толкателя сообщается с отсечкой.
Давление масла в этой полости падает, поршень с плунжером прекра-
щают свое движение вниз и плунжер под действием своей пружины
поднимается вверх. Полость под ним начинает наполняться топливом
через шариковый невозвратный клапан (рис. 2-13) для обеспечения
следующей подачи.
Управление фазами подачи осуществляется микропроцессором
ЕСМ, на который, как и в предыдущем случае поступают сигналы от
установленных на двигателе датчиков оборотов и положения мерт-
вой точки, нагрузки, давления наддува и температуры топлива (см.
рис. 2-14). Давление наддува учитывается при определении порции
впрыскиваемого топлива, чтобы при переходном режиме избежать
дымления на выхлопе. Дымное сгорание происходит, когда ГТК не
набрал еще оборотов и воздуха в цилиндры поступает недостаточно.
В этом случае микропроцессор ограничивает величину подаваемой
порции топлива. После подъема давления воздуха до необходимой
для полного сгорания величины ограничение подачи топлива сни-
32
3. ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
ДВИГАТЕЛЯМИ
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 элек-
тронное управление. Современная Система электронного управления
(Рис. 3-1) помимо давно уже существующих систем ДАУ, СЦК — (мо-
ниторинга параметров основных систем двигателя) включает микро-
процессор с программным обеспечением, осуществляющим решение
широкого спектра задач по управлению двигателем.
Первой, освоившей промышленный выпуск дизелей с электрон-
ным управлением, была фирма «Катерпиллар», в области судового
двигателестроения первые шаги сделали фирмы MAN&BW (Intelligent
engine) — 2-х тактные и Вяртсиля: 4-х тактные двигатели и 2-х такт-
ные — Зульцер (RTA-flex).
Следует особо отметить, что фирмой «Катерпиллар» большая
часть двигателей сегодня выпускается с электронным управлением,
причем стоимость их остается равной стоимости аналогичных дви-
гателей с механическими системами управления и регулирования.
Устанавливаемый на двигатели микропроцессор выполняет функ-
ции:
• Электронного регулятора скорости, поддерживающего заданный
скоростной и нагрузочный режим;
• Управления подачей топлива в соответствии с заданным режи-
мом;
• 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;
33
С помощью компьютера и заложенной в него программы по из-
вестным кодам осуществляется диагностика двигателя.
Рис. 3-1. Электронная система управления двигателем
«Катерпиллар» — (используется в двигателях 3500 серии, имеющих
насос-форсуики с механическим приводом от распределительного
вала). Положение ВМТ и скорость вращения определяются
индуктивным датчиком от специальной шестерни, установленной
на коленчатом валу. При морском исполнении устанавливается два
микропроцессора.
34
Реализация перечисленных функций существенно повышает
уровень контроля и технической эксплуатации, продлевает ресурс
двигателя.
Оптимизация моментов подачи топлива решается программой,
заложенной в электронный блок, и получающей сигналы от датчи-
ков числа оборотов, нагрузки (положения топливной рукоятки),
давления наддува, температуры топлива. В соответствии с величи-
ной перечисленных сигналов программа вычисляет оптимальные
для данного режима значения начала и конца подачи топлива и
подает ток на соленоиды насос-форсунок, перемещающие управ-
ляющие клапаны в положения — подача или отсечка (см. рис. 3-2
и рис. 3-3).
Когда управляющий клапан находится в нижнем положении, он
сообщает полость под плунжером через канал 2 с отсечкой (канал
1) и, даже при движении плунжера вниз (ход нагнетания), давление
под ним не будет расти. Последнее начнет подниматься лишь после
того как включение соленоида посадит клапан на седло и полость под
плунжером будет разобщена с отсечкой. Когда давление под плунже-
ром, а, следовательно, и под иглой, достигнет 350 бар начнется впрыск
топлива в цилиндр. Конец подачи происходит в момент прекращения
подачи тока на соленоид, клапан под действием пружины опускается
Клапан картридж
Cartridge valve
Толкатель плунжера
Tappet
Плунжер
Plunger
Подплунжерное
пространство
Сборка распылителя
Nozzle assembley
Рис. 3-2. Насос-форсунка с механическим приводом
и электронным управлением.
35
Соленоид
Solenoid -
Арматура
Armature
Пружина отсечног
клапана
Poppet spring_____
Отсечной клапан
Poppet valve _____
Рис. 3-3. Управляющий клапан насос-форсунки.
вниз и сообщает полость нагнетания с отсечкой. Топливные насосы
с механическим приводом обладают одним существенным недо-
статком — давление впрыска находится в прямой зависимости от
скорости движения плунжера — числа оборотов двигателя. Так, если
на полных оборотах максимальное давление впрыска составляет 700
бар, то при снижении оборотов в два раза давление впрыска падает
до 350 бар. Это, естественно, резко ухудшает качество распыливания
топлива, что приводит к снижению экономичности и ухудшению
эмиссии выхлопных газов. Поэтому, чтобы избежать отмеченного
двигателестроители поднимают давления впрыска до 1300 и более
бар. В этом случае двукратное снижение давления при снижении
оборотов составит 750 бар, что уже, несомненно, лучше. Ведь при
давлениях на номинальных оборотах 600-700 бар двукратное сни-
жение скорости давало 350 бар.
Новой разработкой фирмы Катерпиллар является электронная
калибровка насос-форсунок, заключающаяся в том, чтобы обес-
печить 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 и, как нам кажется, сни-
36
зить технологические допуски на изготовление форсунок. В выше
описанной системе электронного управления задание параметров
впрыска осуществляется путем решения микропроцессором урав-
нений связывающих параметры впрыска с факторами режима для
насос-форсунок всех цилиндров безотносительно гидравлических
характеристик и инерционости срабатывания комплекса солено-
ид — управляющий клапан. В новой системе в микропроцессор
закладываются данные, полученные путем испытаний каждой фор-
сунки на стенде завода, и ей присваивается персональный кодовый
номер. По кодовому номеру заводом поставляется файл, который и
вводится в микропроцессор двигателя. Последний на основе име-
ющихся данных вырабатывает управляющие сигналы и подает их
на каждую насос-форсунку в соответствии с ее индивидуальными
характеристиками.
Системы электронного контроля и управления
фирмы Вяртсиля.
Автоматические системы управления и мониторинга WENCOM
hWECS
Разработаны применительно к рещению задач обеспечения воз-
можности работы двигателей в условиях безвахтенного обслуживания
в машинном отделении и управления ими с мостика. Осуществляет
следующие основные функции:
• Частота вращения задается гидро-механическим, электронно-
гидравлическим или электронным регуляторами.
• Для защиты от превышения предельных оборотов используются
две системы — электро-пневматическая, воздействующая на
каждый ТНВД и механический регулятор предельных оборотов,
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 темпе-
ратур выхлопных клапанов, рабочих поверхностей втулок рабо-
чих цилиндров в зоне верхних поршневых колец при положении
поршня в ВМТ, температур рамовых подшипников.
• Дистанционное управление осуществляется системой RENCOM,
работающей совместно с процессором.
37
Измерение температур выхлопных клапанов производится с целью
обнаружения их прогорания на ранней стадии. Для этого малоинерци-
онные термопары заделываются в седла клапанов. Клапаны оборудо-
ваны механизмом проворачивания и, когда на уплотнительном пояске
клапана появляется зона прорыва газов и она совпадает с местом
расположения термопары, последняя фиксирует местное кратковре-
менное 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 о ухудшении уплотняющей функции колец. Поскольку
температура втулки зависит от нагрузочного и скоростного режима
работы двигателя, работы системы воздухоснабжения, то предуп-
реждающий сигнал вырабатывается микропроцессором по величине
разности температур
6t = Тизмер — Т этал.
Эталонное значение температуры предлагается подсчитывать по
выражению вида:
Т =Р“ nkTm/Pf,
Чисто теоретически, не исключается возможность построения
на основании накопленных данных по 5t кривых тренда изменения
технического состояния пары «поршневые кольца- втулка цилинд-
ра». По скорости изменения и величине 6t предполагалось решать
задачу назначения сроков переборки цилиндро-поршневой группы
двигателя.
Однако, как показал наш опыт, в силу присутствия большого числа
факторов ее решение представляется довольно сложным и пока не
решено.
Система диагностики FAKS
(Fault Avoidance Knowledge System).
Рассматриваемая система основана на экспертной оценке воз-
никающих изменений технического состояния двигателя, выгод-
но отличающейся от обычно применяемых методов диагностики.
38
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 по причинам 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.
Рис,3-4. Структурная схема системы диагностики FAKS.
39
В число измеряемых параметров входят:
• Дата и время;
• Общий наработок двигателя;
• Мощность двигателя и скорость 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 отделении;
• Число оборотов в ГТК;
• Температура наддувочного воздуха перед и за воздухоохладите-
лем;
• Наличие помпажа компрессора.
Системой предусмотрено построение кривых изменения парамет-
ров во времени, показывающих тенденцию их изменени (тренд).
Снимаемые с двигателя параметры проходят нормализацию — при-
ведение параметра к стандартным значениям давления и температуры
окружающей среды и нагрузке 85% от номинала. Это исключает влия-
ние перечисленных факторов на величину параметра и обеспечивает
достаточно достоверную картину тренда.
40
4. ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭМИССИИ ВРЕДНЫХ
СОСТАВЛЯЮЩИХ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ
Загрязнители атмосферы в значительной мере определяются
поступлением в нее продуктов сгорания топлив. Роль основных ис-
точников загрязнений показана на рис. 4-1. Роль судоходства весьма
существенна идостигает 18%.
Промышленность, 42%
Автотранспорт, 24%
Воздушный '
транспорт, 2%
и биомассы, 14%
Мировое \
судоходство, 18%
Рис 4-1. Источники загрязнения мировой атмосферы.
Выхлопные газы двигателей в основном состоят из тех же элемен-
тов, что и воздух: азот — 76%, кислород — 13%, углекислый газ — 5% и
вода — 5%. В сумме это составляет 99%, и ориентировочно 1% падает
на окислы азота (NOx) и серы (SO2), углеводороды (СН) и частицы
несгоревшего углерода (С — сажа) — рис. 4-2.
1 Выброс в атмосферу NOx приводит к выпадению кислотных дождей, раз-
рушает озоновый слой, способствует образованию смога, канцерогенен
(может вызвать раковые заболевания).
41
воздух
ТОП1ИЮ
масло [ ;
I g/kWh
97% ИС
излучаемая
теплота
8 5 kg/kWh
21% О
79% N,
175 gTkWh
97% НС
3% S
вшлопнывгаэы
рампа
13 0% О.
75.8% N,
5.2% СО,
5 35% Н.О
1500 vppm NO.
600 vppm SC,
60 vppm СО
180 vppm НС
120 тдЛЛт? Pat
Рис. 4-2. Составляющие выхлопных газов.
Минимизация эмиссии NO/, SO2 и СО2 сегодня является одной из
основных задач двигателестроителей и эксплуатационников.
Содержание SO2 находится в прямой зависимости от содержания
серы в топливе и единственный путь ее снижения — сжигание в дви-
гателях малосернистых топлив.
Содержание СО2 прямо пропорционально количеству сжигаемого
топлива и снизить его можно только путем повышения экономичности
двигателя.
Содержание NOx определяется количеством азота воздуха, окис-
лившегося в процессе сгорания и зависит, главным образом, от тем-
ператур в камере сгорания.По требованию Международной Морской
Организации (IMO) содержание NOx в двигателях малооборотных не
должно превышать 17 г/кВт.ч; в двигателях среднеоборотных: 500-
800 об/мин — 13-12 г / кВт.ч, 1000-1500 об/мин — 11,5-10,5 г/кВт.ч.
Изложенные в предыдущем разделе меры по совершенствованию
рабочего процесса двигателей, в западной литературе получившие
наименование «Inside the engine thermodynamic technology» несом-
ненно способствовали снижению выброса в атмосферу СО2, С и NOx,
и на этой первоначальной стадии ведущим двигателестроительным
фирмам в определенной степени удалось удовлетворить современным
требованиям. В перспективе допустимые нормы несомненно будут
снижаться. Сегодня ведутся работы и внедряются в практику более
эффективные средства, заключающиеся в:
42
• Впрыске воды в наддувочный воздух в целях его увлажнения.
• Использовании водотопливных эмульсий,
• Впрыске воды непосредственно в цилиндры,
• Очистке выхлопных газов за пределами двигателя.
Способность водяных паров понижать эмиссию NOx давно из-
вестна. Когда двигатели работают в условиях тропиков при высокой
влажности воздуха эмиссия NOx существенно снижается.
Увлажнение надувочного воздуха.
На этом принципе Стокгольмским технологическим институтом
была разработана и на двигателе 12РС2.6 -Пи лстик испытана система
НАМ (Humidity Air Motor) —см. рис 4-3.
Рис. 4-3 Система увлажнения наддувочного воздуха «НАМ».
В подогревателе, подаваемая в него пресная, а позже она была
заменена на забортную, подогревается горячей водой из системы ох-
лаждения. В испарителе горячая вода путем противотока надувочного
воздуха, имеющего температуру 120-130° С, испаряется, смешивается
с ним и поступает в ресивер двигателя. При испарении воды воздух
охлаждаетя и благодаря этому, по утверждению исследователей, от-
падает необходимость в его дополнительном охлаждении.
Уменьшение содержания NOx на эксплуатационном режиме
составило 70-80%. Это объясняется тем, что при 10% содержании
пара в надувочном воздухе срезается пик температур в камере сго-
рания, при котором наиболее интенсивно образуются окислы азо-
та — см. рис. 4-4.
43
Ж
Рис. 4-4. Влияние увлажнения надувочного воздуха па
температуры газов в камере сгорания.
Большой расход воды определил необходимость ее замены на за-
бортную, выпадающие в испарителе соли по идее исследователей мо-
гут сбрасываться (с предварительным анализом). Однако, по нашему
мнению, при таком решении не исключена вероятность подсаливания
наддувочного воздуха.Не исключена и вероятность коррозии ЦПГ
при конденсации влаги в цилиндрах при работе двигателя на малых
нагрузках. Этим, видимо, можно объяснить, что система НАМ до сих
пор не вышла из стадии исследований.
Еще в 70-х — 80-х годах ставилась задача — обеспечить более
полное сгорание топлива (в первую очередь-тяжелого) и избежать
образования сажи и дымления на выхлопе. Как известно, это может
быть достигнуто путем улучшения воздухоснабжения, смесеобразо-
вания и снижения температур в камере сгорания в целях исключения
локальных зон с температурами выше 2000-2200°.
Дело в том, что в этих зонах происходит не только интенсивное
окисление азота с образованием NOx, но и крекинг углеводородов
топлива с образованием свободного углерода (сажи), который при
недостатке воздуха не сгорает и создает дым на выхлопе.
Использование ВТЭ
Водо-топливная эмульсия (ВТЭ) состоит из глобул воды, окру-
женных оболочкой из топлива. После впрыска в цилиндр глобулы
эмульсии прогреваются и, поскольку вода испаряется раньше топ-
лива, давление внутри глобулы растет и происходит микровзрыв.
Топливная оболочка рвется на мелкие части и это способствует более
быстрому ее испарению и лучшему перемешиванию с воздухом. Од-
44
Рис. 4-5 Схема системы подготовки водо-топливной эмульсии.
нако, широкого распространения водо-топливные эмульсии (ВТЭ)
в те годы не получили, так как их введение усложняло систему топ-
ливоподготовки. Необходимо было при переходе на режимы малых
нагрузок уменьшать процентное соотношение «вода — топливо», что
на практике представляло определенную сложность. Отмечались
случаи коррозии топливовпрыскивающей аппаратуры. Кроме того,
требовался более высокий подогрев эмульсии перед двигателем, так
как вязкость ее выше вязкости топлива. Большая вязкость также
заставляла идти на увеличение диаметра сопловых отверстий и за-
зоров в прецизионных парах ТНВД и форсунок. Поэтому, когда на
маневренных режимах приходилось переходить на чистое топливо
без воды, т.к. при работе на ВТЭ качество распыливания ухудшалось
и двигатели дымили. Схема системы подготовки ВТЭ приведена на
рис. 4-5.
Возврат к использованию ВТЭ произошел в последние годы в
связи с ужесточением требований к чистоте выхлопа и вызванной
этим необходимостью снижения температур в зоне сгорания — пере-
ходу на, так называемые, «холодные циклы». ВТЭ этому требованию
удовлетворяет, так как на испарение заключенной в глобулах воды,
а ее масса составляет 15-20 % от массы топлива, затрачивается теп-
лота, выделяемая при сгорании топлива. Естественно, это позволяет
существенно снизить температуры в зоне пламени и, в известной
мере, избежать образования сажи и, что особенно важно, — окислов
азота. Первыми вернулись к использованию ВТЭ специалисты фирм
Катёрпиллар Моторен — (МАК), MAN&BW. Предварительные опы-
ты на двигателе МАН ТАД 48/60 с впрыском воды непосредственно
45
в камеру сгорания показали желаемое снижение NOx на 40-50%,
но одновременно отмечалось увеличение расхода топлива на 4-5
г/кВт.ч. Водо-топливная эмульсия по NOx давала тот же результат,
а по снижению дымности даже лучше, особенно на режимах малых
нагрузок. Экономичность сохранялась на прежнем уровне.
Исходя из изложенного фирма МАИ в своих последующих раз-
работках по снижению эмиссии предпочтение отдает ВТЭ.
Впрыск воды в цилиндр
Фирма Вяртсиля совместно с Зульцер пошла по пути непос-
редственного впрыска воды в камеру сгорания. При этом за счет
комплекса ранее упомянутых мер по совершенствованию рабочего
процесса при впрыске воды в цилиндр в количестве 15% от величины
подачи топлива удалось достигнуть снижения NOx на 50%, потеря
экономичности не превышала 2-3 г/кВт.ч. Были разработаны фор-
сунка с двумя сопловыми наконечниками и раздельным подводом к
ним топлива и воды и система подачи воды в форсунку, приведенная
на рис. 4-6. Вода из танка пресной воды 1 через фильтр поступает в
насос 2, в котором создается давление в 210 бар, далее она проходит
через предохранительный клапан 3 к форсунке. Предохранитель-
ный клапан необходим для того, чтобы перекрывать подачу воды в
случае зависания иглы форсунки. Для подачи и распыливания воды
в форсунке имеется отдельное сопло, вход в которое запирается иг-
Рис. 4-6. Система впрыска воды в рабочий цилиндр.
46
лой 4, управляемой соленоидным клапаном 5. Сигнал на соленоид
подается от электронного управляющего блока. Момент подачи и ее
продолжительность определяются заложенной в блок программой и
зависят от величины развиваемой двигателем мощности.
Фирмой «Катерпиллер» было проведено сопоставление раз-
личных методов снижения эмиссии выхлопных газов. Результаты
приведены в таблице 1.
Анализ данных таблицы показывает, что наибольшее предпоч-
тение может быть отдано решению, связанному с совершенство-
ванием рабочего процесса. В его пользу свидетельствуют: низкие
первоначальные затраты, связанные, в основном, с модернизацией
отдельных компонентов двигателя, остающиеся практически неиз-
менными эксплуатационные расходы и низкий уровень технического
риска. Двигателям, в которых это решение реализуется, присвоено
наименование — Двигатели с низким уровнем эмиссии (Low Emission
Engine-LEE).
Результаты исследования,
проведенного фирмой «Катерпиллар-Моторен — (МАК)»
Таблица 1
Базовый двигатель Соверш. рабочего процесса Водо- топлив. эмульсия Непоср. впрыск воды Катализа- тор SCR
NO X 12г/кВт.ч 8г/кВт.ч 9 г/кВт.ч 6 г/кВт.ч 2 г/кВт.ч
Сажа 100% 33% 20% 11,3% 100%
Первона- чстоим. 100% 108% 115% 119% 139%
Стоим. Эксплуат. 100% 100% 103% 104% 116%
Фактор Технич. Риска Нет низкий Средний (коррозия) Средний (коррозия) низкий
Рыночн. Оценка Нет (NOX, сажа) хорошая средняя средняя Плохая при морском примем.
Двигатели с впрыском ВТЭ по уровню эмиссии NOx одинаковы с
LEE, но имеют более низкий уровень дымности (содержания сажи).
Однако требуют более существенных капитальных вложений, выше
47
эксплуатационные расходы и уровень технического риска (не ис-
ключаются коррозионные повреждения топливной аппаратуры).
Двигатели с непосредственным впрыском воды имеют несомнен-
ное преимущество по уровню эмиссии NOx, но не решают проблему с
содержанием сажи при работе на малых нагрузках, когда температуры
в камере сгорания существенно снижаются. Этим определяется, что
фирма Вяртсиля на этих режимах дополнительно прибегает к по-
догреву наддувочного воздуха и рециркуляции выпускных газов на
всасывание двигателя. Это техническое решение также сопряжено со
значительными первоначальными затратами и эксплуатационными
расходами. Кроме того, нельзя не учитывать необходимости монтажа в
достаточно ограниченном пространстве машинного отделения танков
для пресной воды, насоса высокого давления, трубопроводов и пр.
Использование селективных катализаторов
Дальнейшее снижение эмиссии окислов азота (на 85-95%) может
быть достигнуто путем дополнительной очистки выхлопных газов
в селективном катализаторе, в котором используется 40% водный
раствор безвредной субстанции UREA (мочевина), применяемой в
сельском хозяйстве. Она впрыскивается непосредственно в выхлоп-
ные газы за ГТК и незамедлительно разлагает соединения азота на
аммоний и углекислый газ по следующей формуле:
(NH.J., СО + Н2О + теплота 2NH3 + СО2
Смесь проходит через катализатор, где NOx преобразуется в азот
и воду
4NO + 4 NH3 + О2 £=> 4 N2 + 6 Н2О
6NO2 + 8NH3 е=> 7N2+12H2O
Подобные установки (см. рис. 4-7) нашли приенение в промыш-
ленных установках и в качестве опытных образцов на судах, но они
довольно сложны, громозки и дороги. Их использование сопряжено
со значительными капитальными вложениями и большими эксплуа-
тационными расходами, обусловленными усложнением технического
обслуживания и необходимостью систематического пополнения хи-
мических реагентов.
Даже более низкие ставки портовых сборов для судов, оборудован-
ных подобными установками, не могут компенсировать все затраты.
48
выхлоп
Рис. 4-7. Судовая установка селективного катализатора очистки
выхлопных газов — SCR.
49
5. ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ
Дизельный двигатель может развивать полную мощность только
при полных оборотах. При пониженных скоростях вращения до-
пустимые значения мощности и момента ограничены во-избежание
термических и механических перегрузок , и возможного помпажа
газотурбокомпрессора. Это объясняется, прежде всего, тем, что с по-
нижением скорости вращения и нагрузки располагаемая энергия газов
и КПД ГТК уменьшаются. Соответственно сокращается количество
поступающего в двигатель воздуха, что влечет за собой ухудшение
сгорания топлива, снижение охлаждающего воздействия воздуха на
температуры компонентов камеры сгорания. К примеру, часто темпера-
тура выхлопного клапана на пониженных оборотах (работа на ВФШ)
оказывается выше, чем на полной нагрузке. Более того, сокращение
расстояния между линией рабочих режимов ГТК и кривой помпажа,
происходящее при снижении оборотов, снижает запас по помпажу и
при определенных условиях компрессор срывается в помпаж.
Чтобы избежать отмеченных явлений, двигателестроители свер-
ху ограничивают поле возможных в эксплуатации режимов работы
двигателя специальной кривой, получившей наименование ограни-
чительной характеристики.
Статистические данные по режимам нагружения
судовых двигателей
Главные двигатели транспортных судов 80-95% от Ne ном.
Главные двигатели паромов 55-90% «
Главные двигатели круизных судов 75-90% «
Вспомогательные двигатели,
дизель-генераторы 40-85% «
Стационарные дизель-генераторы 95-110 °А > <<
В общем случае режимы работы двигателей пропульсивных уста-
новок судов назначаются в соответствии с конкретными условиями
работы судна и с учетом характеристик и технического состояния
самого двигателя. Нельзя не учитывать, что степень нагружения дви-
50
гателя зависит от ряда факторов — погодные условия (ветер, волнение),
осадка, крен и дифферент судна, возраст и состояние подводной части
корпуса судна, плавание на мелководье и во льдах. На рис. 5-1 приве-
дены винтовые характеристики, иллюстрирующие влияние условий
плавания на мощность, отбираемую гребным винтом.
Рис. 5-1. Винтовые характеристики двигателей с ВФШ :
1 — при свободном плавании; 2 — плавании в балласте; 3 — на
швартовах; 4 — двухвинтовая установка при одном застопорспом винте;
5 — двухвинтовая установка с одним свободно вращающимся винтом
(в турбинном режиме).
Из рисунка видно, что нагрузка на двигатель существенно ме-
няется. В балласте двигатель недогружен и при 100% оборотов не
выходит на полную мощность. При работе в швартовном режиме
двигатель перегружен и при 100% оборотов поглощаемая винтом
мощность увеличивается почти в два раза. Кстати, подобная пере-
грузка может возникнуть и при резком ускорении движения судна.
Это следует иметь в виду и не допускать резкого набора оборотов
при разгоне судна.
На рис. 5-2 приведены графики характеристик среднеоборотных
двигателей MAN-B&W, представленные в логарифмических коорди-
натах, позволяющих кривые отображать в виде прямых линий. На
верхнем графике параллелограмом, ограниченном п=100%, п=75% и
Двумя наклонными линиями Ре=100%, Ре=85%, представлена область
51
выбора величины паспортной
(спецификационной) мощнос-
ти. Выбор осуществляется при
заказе двигателя для конкрет-
ного судна, исходя из требуемой
мощности, экономичности и
уровня форсировки. Точка MCR
представляет собой режим мак-
симальной длительной (номи-
нальной) мощности. Точка ECR
соответствует экономичному ре-
жиму полного хода, развиваемая
на ней мощность составляет 85%
MCR. Снижение мощности до-
стигается уменьшением подачи
топлива и, соответвственно, Ре,
что, в свою очередь, способству-
ет уменьшению расхода топлива
на 2%. При заказе двигателя,
исходя из условий эксплуатации
в пределах ECR, фирма пере-
настраивает сопловый аппарат
ГТК и ТНВД. После перена-
стройки двигателя на ECR кри-
вые удельных расходов топлива
приобретают вид, приведенный
на нижнем графике рисунка.
На среднем графике показа-
ны линии: 1 — 110% Мкр, 2 — 100%
Мкр, 3 — заградительная харак-
теристика, ограничивающая
режимы кратковременных пе-
регрузок, 4- заградительная,
ограничивающая режимы дли-
тельной работы, 5- теоретичес-
кая (номинальная) винтовая
характеристика, 6- область рас-
положения винтовой характе-
ристики гребного винта посто-
янного шага, рекомендованного
для грузового судна.
!-----------1------------1 "Т I—
7U ИО 90 100 103 скорость,;
Рис. 5-2. Области рекомендованных
режимов для двигателей МАН.
52
Обороты %
Рис. 5-3.Режимы работы
двигателя МАК 20 при работе
на ВФШ.
Рис. 5-4. Область рекомендованных режимов для двигателей
МАК, работающих на ВРШ.
53
На ри(;5-3 показана область рекомендованых режимов для двигателя
Катерпиллар-М АК 20 при работе на гребной винт фиксированого шага.
Кривые представлены в логарифмических координатах и поэтому они
заменены отрезками прямых. Прямая 1 показывает изменение мощности
двигателя в функции числа оборотов при 100% крутящего момента и
среднего эффективного давления. Допустимые в эксплуатации режимы
работы двигателя должны.
Область рекомендованных режимов должна располагаться в зоне,
ограниченной сверху кривой (прямой, т. к. график построен в логарифми-
ческих координатах) 3, представляющей собой заградительную характе-
ристику, справа — прямой регуляторной характеристики 6, проходящей
через точку номинального скоростного режима, и слева — минималь-
но-устойчивыми оборотами (на графике не показаны). Выше прямой 3
приведена ломаная прямая 2, ограничивающая предельно-допустимые
нагрузки (обычно по уровням теплонапряженного состояния). Зона между
2 и 3 характеристиками II является перегрузочной и работа в ней допус-
кается лишь не более 1 часа (в сумме) на протяжении 12 часов. Прямая 1
является характеристикой постоянного крутящего момента, равного
моменту на номинальном режиме, она же может рассматриваться и как
прямая Ре. ном = const, и, в первом приближении, Т. Р. = const., поскольку
Ре = А. ТРт]е или Ре=В gn 116. Выход за ее пределы невозможен, так как
величина максимально- допустимой подачи топливаgn. макс, и соответс-
твующее ей положение топливной рейки Т. Р. блокируется на регуляторе.
Как уже отмечалось, выход за пределы ограничительных характеристик в
условиях длительной работы недопустим, но на маневрах, когда требуется
быстрый набор оборотов, фирмы МАК и МАН допускают кратковремен-
ный переход в зону, ограниченную прямой Ре.ном =const (линия 1). Прямой
4 представлена теоретическая (номинальная) винтовая характеристика,
а правее располагаются прямые 5 облегченного винта, позволяющие
обеспечить 10-20% запас мощности. Наличие такого запаса позволит в
штормовую погоду или при обрастании судна поддерживать обороты, а с
ними и скорость судна, неизменными, не опасаясь перегрузки двигателя.
Последним обстоятельством объясняется существующая сегодня прак-
тика проектирования гребных винтов облегченного типа.
В соответствии с рис. 5-4 область рекомендованных режимов
располагается между кривой 3, определяющей собой границу для
комбинаторных кривых, представляющих собой геометрическое место
точек оптимальных режимов двигателя с ВРШ, линией регуляторной
характеристики 4 и кривой нулевого шага 5. Кривая 1 представляет
собой расчетную (номинальную) винтовую характеристику для ВФШ,
кривая 2 — заградительная характеристика. Обращает на себя внимание,
что номинальная винтовая характеристика ВФШ располагается выше
заградительной и в зоне скоростных режимов ниже 95% от номинального,
двигатель попадает в область перегрузок.
Этим объясняется настоятельная рекомендация фирмы МАК в
пропульсивных установках использовать винты регулируемого шага,
54
Me} Ne nom
ZUI1 250 3UU 35O 400 460 П об\мин
Рис. 5-5. Область рекомендованных режимов
для двигателя Вяртсиля 46L.
позволяющие подбором шагового отношения оптимизировать режимы
и избегать перегрузок.
Показаная на рис. 5-5 область рекомендованных режимов для дви-
гателей Вяртсиля находится между заградительной характеристикой 1и
регуляторной 4. Кривая 2 представляет собой винтовую характеристику,
проходящую через точку номинального режима, а линия 3 проведена
через минимумы удельных расходов топлива. В случае наличия ВРШ
она может быть принята в качестве комбинаторной характеристики.
Характер ограничительных характеристик играет существенную
роль особенно при оценке тяговых свойств двигателя, определяющих
возможность использования его мощности и момента при пониженных
оборотах (режим буксировки).
На рис. 5-6 сопоставлены характеристики трех двигателей:
• Высокооборотный двигатель Катерпиллар 3500 с механическим
управлением (регулятор Вудворд);
• Катерпиллар 3500В модернизированный и с электронным уп-
равлением;
• Среднеоборотный двигатель МАК 8М20.
Двигатели имеют одинаковую мощность, но различный вид огра-
ничительных характеристик.
55
мощность, кВт
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
об\мин
-♦-3516
огран. характ.
~~о~— 3516
винт, характ.
-А-3516В
огран. характ.
-и-3516В
винт, характ.
—О—8М20
огран. характ.
—•—8М20
винт, характ.
Рис. 5-6. Сопоставление характеристик двигателей.
Здесь прежде всего обращает на себя внимание наличие у ограни-
чительной характеристики электронного двигателя (3500В) прямого
участка, простирающегося на 30% от точки номинальной мощности и
скорости в сторону снижения оборотов. Это говорит о том, что двига-
тель обладает большим резервом мощности и позволяет использовать
полную мощность на довольно значительном участке скоростного
режима. К сожалению, такая возможность у остальных сравниваемых
двигателей отсутствует.
Особенности выбора режимов двухмоторной установки буксира
иллюстрируется Рис. 5-7. Линия Pe=const, проходящая через точку
номинального режима (100%) представлена отрезком прямой 1. Ниже
показана заградительная характеристика 2, ограничивающая суммар-
ную мощность двух работающих двигателей Ниже (3) приведена вин-
товая характеристика, построенная для условий максимальной тяги,
создаваемой двумя двигателями при буксировке, приравненная работе
на швартовах. Отрезок прямой 6 соответствует Ре.ном = const, для од-
ного двигателя. Кривая 4 — номинальная винтовая характеристика.
Зона 5 отведена для размещения винтовой характеристики грузо-
вого судна с двумя двигателями, работающими на один гребной винт
фиксированного шага. Линия 7 — заградительная характеристика для
одного двигателя и 8-винтовая характеристика буксира на свободном
ходу при работе одного двигателя.
Анализ представленных выше характеристик двигателей пока-
зывает, что заградительные характеристики двигателей разных
56
Рис. 5-7. Области рекомендованных режимов двухмоторной
установки буксира.
моделей и фирм производителей существенно отличаются и поэтому
при выборе режима работы следует исходить не из общих сообра-
жений, а руководствоваться конкретными рекомендациями фирмы
применительно к данной модели, вида гребного винта и условий экс-
плуатации судна.
Влияние воздухоснабжения на работу двигателя
В условиях длительной работы на полных режимах важно учи-
тывать не только положение рабочей точки режима относительно
заградительной характеристики, но и условия воздухоснабжения, оп-
ределяемые работой ту рбонаддувочного комплекса, его техническим
состоянием и параметрами внешней среды. Известно, что с повыше-
нием температуры окружающей среды растет и температура воздуха
на всасывании турбокомпрессора. Для сжатия воздуха повышенной
57
температуры ГТК должен затратить большую работу. Это приводит
к снижению его оборотов и давления наддува. Так, при увеличении
температуры на всасывании с 20 до 45° частота вращения нагнетате-
ля снижается на 3-4% и давление наддува с учетом происходящего
при этом ухудшения КПД ГТК падает ориентировочно на 12%. Это
обусловливает ухудшение воздухоСнабженпя двигателя — сгорание
и последующая продувка протекают с меньшими избытками воздуха,
температура выпускных газов растет, равно как увеличивается и общее
теплонапряженное состояние двигателя. Поэтому, чтобы избежать
тепловой перегрузки двигателя и вызванных этим крайне нежела-
тельных последствий, важно следить за температурой выпускных
газов. Последняя не должна выходить за пределы, оговоренные инс-
трукцией по эксплуатации. Так в двигателях МАК такой предельной
температурой является 420°С. В случае ее превышения необходимо
снижать подачу топлива в цилиндры, что приводит к уменьшению
развиваемой двигателем мощности.
Вторым фактором, который проявляется в условиях тропи-
ческого плавания, является влажность воздуха. Один кг воздуха с
влажностью 80% при температуре 48° и давлении 1,4 ати содержит
57 г воды и, если температура его в воздухоохладителе падает ниже
60°, то происходит конденсация влаги. Конденсат воды с воздухом
поступит в цилиндры и, попав на стенки цилиндра, смешается с
маслом с образованием эмульсии, а также вступит в реакцию с SO3
с образованием сернистой кислоты. В итоге усилятся адгезионный
и коррозионный износы ЦПГ. Температура конденсации паров воды
носит наименование — точка росы.
Нужно также иметь в виду, что с ростом температуры на всасыва-
нии ГТК и ростом давления наддува температура конденсации растет.
Поэтому в процессе эксплуатации двигателя не следует допускать
переохлаждения наддувочного воздуха, периодически сверяя его
значения с температурой точки росы для существующих То и Рк.,
которая может быть определена из ниже расположенной диаграммы
на рис. 5-8.
58
Содержание воды (кг воды/кг сухого
воздуха)
Пример: При температуре воздуха окружающей среды 35° С и
относительной влажности ее 80% содержание воды в воздухе можно
определить по диаграмме (0,029 кг воды на 1 кг сухого воздуха). Если
давление в ресивере при этих условиях составляет 2,5 бар, т. е. абсо-
лютное давление воздуха в ресивере равно примерно 3,5 бар (давление
окружающей среды +давление в ресивере), температура точки росы
составит 55° С (согласно диаграмме). Если температура воздуха в реси-
вере составляет лишь 45° С, данный воздух может содержать 0,018 кг/кг
(по диаграмме). Разность 0,011 кг/кг=(0,029-0,018) появится в виде
конденсата, который поступит в цилиндры.
Вывод — поддерживать температуру воздуха на/за воздухоохла-
дителем выше температуры точки росы.
59
6. ДВИГАТЕЛИ «ВЯРТСИЛЯ»
Фирма «Вяртсиля-Дизсль» (Финляндия) в 1996 г. приобрела
акции компании «Зульцер- Дизель», организовала совместное произ-
водство с фирмой «Камминс» и после слияния с рядом других зарубеж-
ных фирм в 1998 г. была преобразована в «Wartsila NSD Corporation»,
осуществляющую производство высоко-, средне- и малооборотных
двигателей, как собственной конструкции, так и вышеупомянутых
присоединенных фирм. Также организовала производство гребных
винтов регулируемого шага, редукторных передач и систем автома-
тического контроля и диагностики дизелей.
В настоящее время корпорация выпускает двигатели:
Среднеоборотные:
Вяртсиля 20, 26, 26Х (форсированные с использованием топлива
MDO),
32, 38, 46, 64 и Зульцер ZA40S.
Малооборотные:
Зульцер RTA 48Т-В, RTA 52U-B, RTA 58Т-В, RTA62U-B, RTA68T-B,
RTA72U-B, RTA84T-B, RTA96C и RT-Flex.
Высокооборотные
Камминс CW-200.
6.1 Двигатели R/V 22HF (HF-Heavy Fuel)
Эти двигатели фирмой выпускались в качестве главных судовых и
вспомогательных, работавших на дистиллатных топливах типа MDO
(Marine Diesel Oil). Учитывая мировые тенденции использования на
судах более дешевых тяжелых топлив и, накопив опыт по их примене-
нию в тяжелых среднеоборотных двигателях, фирма, начиная с 1968 г.
провела комплекс работ по использованию тяжелых топлив в своих
дизелях. Первым двигателем повышенной оборотности, в котором
эта проблема была решена, явился двигатель 22 модели (рис. 6-1). До
перестройки в СССР была закуплена лицензия и подписан контракт
на строительство фирмой завода по производству двигателей 22 и
60
Рис. 6-1. Поперечный разрез двигателя Вяртсиля R22.
61
32 моделей. Завод был построен под Петербургом, но в связи с отсут-
ствием заказов, после происшедшей в России перестройки к выпуску
дизелей так и не приступил.
Как известно, тяжелые топлива, как правило:
• содержат крайне нежелательные примеси серы, ванадия и на-
трия, вызывающие низко- и высокотемпературную коррозию
цилиндропоршневой группы;
• обладают плохой самовоспламеняемостью благодаря высокому
содержанию асфальтенов и ароматических углеводородов;
• их вязкость существенно выше вязкости дистиллатных топ-
лив.
При переводе на тяжелое топливо наиболее просто решается пробле-
ма высокой вязкости. Для ее понижения топливо перед двигателем необ-
ходимо в зависимости от начальной вязкости подогревать до температур
100-150°С, изолировать топливопроводы и топливовпрыскивающую
аппаратуру, поднять давление в системе топливоподачи до 4-5 атм. во
избежание газообразования и испарения легких фракций.
Очистка топлива от воды и относительно крупных мех. примесей
обычно осуществляется путем фильтрации и центробежного сепа-
рирования, но, к сожалению, сера и натрий- ванадиевые соединения
растворены в топливе и этими методами не могут быть удалены. Низ-
котемпературная коррозия возникает при конденсации на стенках
цилиндра паров воды и SO3, что происходит при температурах стенок
ниже 120°. С. Чтобы этого избежать, а это происходит при переходе
Технические данные двигателей R и V-22HF
D=220 mm; S=260 mm (рядн.), S=240 mm (V-обр.);
n=720-1200 об/мин; Pe =19,1-22,8 бар; ge=189r/KBT.4.
Семейство Двигателей Мощность в кВт при п об/мин
825 900 1000 1100 1200
4R22 600 650 710 750 -
6R22 900 975 1065 125 -
8R22 1200 1300 1420 1500 -
12V22 - 1740 1950 2030 2100
16V22 - 2320 2600 2710 2800
62
•с
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
Рис. 6-2. Организация охлаждения
двигателя (Обратите внимание на
ступенчатый рост температур при
переходе на режимы пониженных
режима работы двигателя на нагрузки ниже 40%, на этих режимах
фирма прибегла к увеличению температуры внутренних поверхнос-
тей цилиндров. Это было достигнуто путем повышения температуры
выходящей из двигателя воды с 75-80° до 90-100° С.
Решение проблемы повышения эффективности сгорания тяжелых
топлив, учитывая, что для них характерно наличие плохой воспламе-
няемости и малых скоростей сгорания, потребовало принятия мер по
увеличению давлений впрыска до 1400-1500 бар, что обеспечило более
мелкое распиливание топлива не только на полных, но и на малых
нагрузках, что особенно важно. Мелкость распыливания тесно связа-
на с соотношением площади поверхности капли к ее объему. Так при
размере капли в 10 pm это соотношение равно 600, а при увеличении
диаметра капли до 60 pm соотношение F/V падает до 100. Должно быть
понятно, что чем больше отношение поверхности капли к ее объему,
тем быстрее прогревается капля в камере сгорания от сжатого горячего
воздуха, тем быстрее идут процессы подготовки ее к сгоранию. Этому
же способствует увеличение температур воздуха в конце сжатия, что
было достигнуто путем увеличения степени сжатия. В рассматрива-
емом двигателе Тс поднято до 850°С. В ходе исследовательских работ
был также оптимизирован закон подачи топлива, что позволило по-
высить управляемость процесса сгорания.
63
В итоге проведенной модернизации была обеспечена возможность
использовать топлива с вязкостью до 700 сСт при 100°С при расходе
в 189 г/кВт. час. Однако это не означает, что можно смело эксплуати-
ровать двигатели на столь тяжелых топливах. Опыт показывает, что
двигатели подобного класса более надежно и эффективно работают
на топливах с вязкостью до 180-240 сСт. Экономически это оправды-
вается меньшими затратами на запасные части и потерями времени на
моточистки, а также тем, что разница в стоимостях топлив 700 и 240
сСт обычно лежит в пределах 2-3 $/т. Максимальное давление сго-
рания лежит в пределах 150-160 бар, среднее эффективное давление
Ре =1,91-2,28 МПа при давлениях наддува Ps = 2,3-2,5 бар.
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.
Чтобы минимизировать скорости износа особое внимание обращено на
жесткость и сохранение геометрической формы втулки при работе на
всем диапазоне нагрузок. Втулка изготавливается из специального чу-
гуна, обладающего высокой износоустойчивостью. Особое внимание
уделено организации подачи и распределения масла по поверхности
зеркала цилиндра (см. конструкцию поршня) и, как уже отмечалось,
распределению температур по поверхности, особенно, — поддержанию
высоких температур при работе на малых нагрузках.
Поршень. Поршень (см. рис. 6-3) цельный, изготавливается из
чугуна со сфероидальным графитом. Более дешевой альтернативой
может быть поршень из алюминиевого сплава, но, как показал опыт,
алюминиевые поршни менее стойки при работе на тяжелых топливах,
когда развиваются высокие давления и температуры. Кроме того чу-
гунный поршень обладает следующими преимуществами:
• меньшее тепловое расширение, что позволяет сократить зазор
между поршнем и втулкой, тем самым избежать большого проры-
ва газов, сдувания масляной пленки и вызванных этим износов
цилиндра;
• более высокая термическая стойкость, обеспечивающая более
длительный срок службы поршня;
• возможность закалки канавок поршневых колец, повышающая
их долговечность.
Поршень охлаждается маслом, поступающим по сверлению шатуна
через поршневой палец и бобышки внутрь замкнутой полости в голо-
вке. Охлаждение поршня позволяет поддерживать его температуру в
64
подшипника и
втулки цилиндра
Рис. 6-3. Поршень двигателя
Вяртсиля 22HF.
районе канавок на уровне, не превышающем 200°С, что способствует
предотвращению образованию в канавках нагара и заклиниванию в
них поршневых колец.
В поршнях двигателей Вяртсиля практически всех моделей ор-
ганизована оригинальная, запатентованная фирмой, система подачи
масла на смазку цилиндров (см. рис. 6-3). Часть масла, поступаю-
щего в поршень из общей системы смазки двигателя, на уровне ниже
маслосъемного кольца отводится по тангенциально расположенным
каналам к дозирующим соплам и далее на поверхность тронка. По-
добный метод подвода масла в сравнении с традиционными методами
обеспечивает:
• меньшее замасливание канавок компрессионных колец и исклю-
чение образования в них нагара;
• уменьшение износов благодаря созданию эффективной смазки
зоны колец;
• гарантированное сохранение масляной пленки в зазоре пор-
шень-втулка, что повышает эффективность борьбы щелочных
присадок мала с сернистой электро-химической коррозией.
65
В целях повышения износостойкости поршневых колец, включая
и маслосъемное, на их рабочую поверхность нанесен слой пористо-
хромового покрытия.
Крышка цилиндра. Обеспечение высокой надежности и ресурса
выхлопных клапанов при переводе двигателя на тяжелые топлива
традиционно считается одной из важнейших и серьезных задач. Для
ее решения фирме пришлось пересмотреть конструкцию крышки с
позиций увеличения ее жесткости и уменьшения деформаций осо-
бенно в зоне клапанов, учитывая,что для обеспечения эффективного
сгорания тяжелых топлив потребовалось пойти на увеличение тем-
ператур и давлений в рабочем цилиндре (160 бар).
Как видно из рис. 6-4 нижнее и верхнее днища стали более мас-
сивными, особое внимание было уделено распределению температур
в огневом днище и интенсификации охлаждения зоны седел выхлоп-
ных клапанов. Это потребовалось в целях уменьшения натрий — ва-
надиевой (высокотемпературной) коррозии. В итоге- температура
огневого днища в этой зоне не превышает 230°. Седла вставные со
стеллитовой наплавкой,возможно изготовление выхлопных кла-
панов из нимоника, но это привело бы к увеличению их стоимости
на 20%. Для увеличения ресурса клапанов в их привод введен меха-
низм проворачивания. Снижению температур как выпускных, так и
впускных клапанов способствовал также подбор оптимальной фазы
продувки (перекрытия клапанов). Небезинтересно отметить,что из-
менение конструкции крышки привело к увеличению ее стоимости
на 18%.
Рис. 6-4. Крышки цилиндров двигателей Вяртсиля 22.
А — старая модель (диз. топливо);
В — новая, предназначенная для работы на тяжелых топливах.
66
Шатун. Стержень шатуна имеет круглое сечение, что обеспечивает
более полное использование материала. В конструкции шатунного
подшипника применен Kocoii раъем, что позволяет увеличить диа-
метр подшипника в целях снижения удельных нагрузок на подшип-
никовый сплав и одновременно осуществлять демонтаж поршня с
шатуном через цилиндр. Крышка подшипника крепится двумя ша-
тунными болтами, затяг которых осуществляется гидравлическими
домкратами (см. рис. 6-5). Преимущество гидравлической затяжки
в сопоставлении с затягом динамометрическим ключом заключается
в том, что исключается влияние на силу затяга сил трения в резьбе
(наличие или отсутствие масла на ее поверхности), состояния стяги-
ваемых поверхностей и, тем самым, при всех условиях обеспечивается
заданное усилие затяга. Этим объясняется, что сегодня большинство
дизелестроительных фирм используют гидравлические домкраты не
только в больших двигателях, где это просто необходимо из-за слиш-
ком больших значений усилий затяга,но и в двигателях относительно
малой размерности.
Соблюдению правил эксплуатации двигателей малой размерности
часто не уделяется должного внимания. Так нередко запуск и оста-
новка вспомогательных двигателей при отсутствии соответствующей
автоматики осуществляются в течении нескольких секунд без пред-
варительного прогрева и прокачки маслом.
Домкраты затяга рам.подшипников
Рис. 6-5. Гидравлические домкраты.
67
Сроки смены масла часто не выдерживаются, масляные фильтры ме-
няются уже после того, как они были заблокированы отложениями.
Отмеченные обстоятельства не могут не отразиться на работоспо-
собности подшипников. Поэтому при отработке конструкции подшип-
ников малых двигателей конструкторы стремятся закладывать в них
большие запасы надежности. В рассматриваемой размерности двига-
теля антифрикционный сплав шатунного подшипника, включающий
олово-свинец-медь, был заменен на сплав олова и сурьмы, имеющий:
• лучшую противокоррозионную стойкость;
• лучшее противостояние абразивному изнашиванию;
• высокий предел выносливости;
• хорошее сопротивление кавитационым воздействиям.
Чтобы предотвратить появление рисок на шейках вала увеличена
толщина заливки, благодаря чему она может впитывать (в нее могут
вдавливаться) попадающие в масло твердые включения.
Распределительный вал. Распределительный вал составной и изго-
товлен из отдельных сегментов, включающих три откованных за одно
целое кулачков. Между сегментами располагаются подшипниковые
узлы, к которым они крепятся болтами. Все сегменты и подшипниковые
узлы идентичны и в случае износа могут заменяться по отдельности.
Учитывая, что усилия, воспринимаемые валом в связи ростом давле-
ний впрыска до 1500 бар, существенно увеличились, вал изготовлен
более массивным и жестким. В целях уменьшения удельных давлений
на зубья шестерен механизма газораспределения шестерни усилены и
профиль зубьев увеличен.
Топливовпрыскивающая аппаратура
Топливный насос. Конструкция топливного насоса применительно
к использованию в двигателе тяжелого топлива была полностью пере-
смотрена, но это не исключило возможность использования насоса при
работе на MDO. Высокие давления впрыска потребовали внесения в
конструкцию насоса следующих изменений (см. рис. 6-6):
• Втулка плунжера и крышка насоса усилены и представляют собой
единый монолит. Такое решение существенно уменьшает дефор-
мации втулки под действием высоких давлений, что повышает
эффективность работы плунжерной пары и уменьшает протечки
топлива и появление фреттинг коррозии.
• В качестве разгрузочного клапана, служащего целям разгрузки
топливопровода высокого давления в период между впрысками,
использовался нагнетательный клапан с разгрузочным пояском.
Последний при посадке клапана по окончании впрыска осво-
68
Разгрузочный
клапан
К форсунке
Нагнетательный
клапан

Рис. 6-6. Топливный насос
высокого давления двигателя
R22-HF
бождал занимаемый им объем топливопровода на определенную
величину и это приводило к падению в нем давления до значения,
каждый раз зависящего от давления в топливопроводе в момент
разгрузки (остаточное давление на полных нагрузках достигало
170 бар, а при нагрузках менее 50 % падало до 70 бар и ниже).
В новой конструкции введен специальный невозвратный клапан
разгрузки, разгружающий топливопровод до давления в 100 бар
вне зависимости от режима работы двигателя.
Это обеспечило более устойчивую работу топливовпрыскивающей
аппаратуры в широком диапазоне подач, исключило появление волн
давлений в топливопроводе и форсунке и вызываемых ими повторных
подвпрысков при полных подачах и кавитации в зоне уплотняющего
конуса иглы на малых подачах. Сопоставление впрыска при старом и
новом решениях показано на рис. 6-7. При разгрузке с помощью нагне-
тательного клапана, на полной подаче по окончании основного впрыска
69
виден дополнительный впрыск, протекающий при относительно низких
давлениях и поэтому не обеспечивающий хороше о распыливания
топлива, что отрицательно отражается на экономичности и вызывает
дымление на выхлопе. На средней и малой нагрузках величина возни-
кающих волн давления меньше и повторного подъема иглы не проис-
ходит, но эти волны провоцируют появление кавитационных явлений
в зоне посадки иглы.
• Плунжерная пара в нижней части уплотняется маслом, поступаю-
щим из масляной магистрали, что исключает проникновение утечек
топлива в зону толкателя плунжера и оттуда в картер двигателя,
где оно может смешиваться с циркуляционным маслом. Это реше-
ние несомненно полезно, но в ряде случаев при работе на тяжелых
топливах отмечалось заклинивание плунжерных пар из-за образо-
вания на плунжере и втулке твердого слоя лака толщиной 20 мкм.
Возможные причины:
• Использование тяжелых топлив с высоким содержанием асфальто-
смолистых соединений, обусловливающих несовместимость топлив
с дистиллатными, смешивание с которыми происходит при каждом
переходе с дизельного топлива на тяжелое и обратно;
• Несовместимость смеси топлива и циркуляционного масла, пода-
ваемого на уплотнение и смазку плунжера, которая особенно четко
проявляется под плунжером, в зоне расположения зубчатой рейки,
здесь отмечается выпадение шлама.
Управление подачей топлива осуществляется гидромеханическим
регулятором.. В регуляторе предусмотрена уставка на максимальную
подачу топлива и механизм ограничения подачи при пониженных
давлениях наддувочного воздуха. Это позволяет избежать дымления
на переходных режимах, когда ГТК не успевает набрать необходимых
оборотов и производительности.
Помимо механического устройства, предотвращающего разнос
двигателя, на каждом топливном насосе установлено электро-пневма-
тическое устройство выключения подачи топлива
На двигателях дизель-генераторов устанавливаются электронные
регуляторы. Чтобы избежать жесткого пуска и дымления в системе ав-
томатическогоуправления предусмотрено ограничение подачи топлива
при пуске на 50%.
фсунка (см. рис. 6-8). Форсунка имеет многодырчатый охлаждае-
мый маслом распылитель. Подвод топлива от ТНВД осуществляется сбоку
посредством адаптера, проходящего через крышку цилиндра и изготов-
ленного из одной заготовки совместно с трубкой высокого давления.
70
Разгрузка наги, топливопровода
разгр.поясок пост, клапан пост лаг л.
объема
волна давл. кавитации
7 движение иглы
> давление топлива
повт.впрыск
Рис. 6-7. Роль остаточного давления в топливопроводе
и влияние на него конструкции нагнетательных клапанов.
А — режим малой нагрузки, В — режим средней нагрузки,
С — режим полной нагрузки
71
Рис. 6-9. Низкотемпературная
коррозия соплового наконечника,
приводящая к его обрыву.
Охлаждение распылителя осуществляется маслом от отдельной
системы, что позволяет поддерживать его температуру на оптималь-
ном уровне и благодаря этому избежать отложений нагара на соплах
и их коррозии. В частности, при пуске холодного двигателя во-избе-
жание холоднотемпературной коррозии кончика сопла (см. рис. 6-9)
распылитель подогревается. Для этого предусмотрен электрический
подогрев подаваемого в форсунку масла.
Скругление входных кромок сопловых отверстий (см. рис. 6-8)
позволило существенно уменьшить их эрозионное изнашивание и,
тем самым, увеличить срок службы распылителя.
Турбонаддув
Для оптимального функционирования двигателя система турбо-
наддува должна обеспечить необходимые:
• давление и температуру наддувочного воздуха;
• величину подачи (расхода) воздуха для обеспечения продувки
и зарядки цилиндров.
Выбор схемы наддува в большой степени зависит от ожидаемых
в эксплуатации режимов его работы. Общеизвестно, что импуль-
сный наддув наилучшим образом обеспечивает двигатель воздухом
в диапазоне малых — средних нагрузок, и на переходных режимах,
поскольку в нем используется как кинетическая (динамическая), так и
потенциальная (статическая) составляющая энергии газов. В системе
наддува с постоянным давлением газов перед ТК используется только
статическая составляющая энергии, позволяющая достигнуть высо-
кой эффективности на установившихся режимах полных нагрузок.
При пуске и на дробных нагрузках этой составляющей недостаточно
и ТК не в состоянии обеспечить двигатель необходимым количест-
72
вом воздуха, приходится прибегать к резервным электроприводным
нагнетателям.
Лучшее обеспечение двигателя воздухом на частичных нагрузках
обусловливает меньшие значения расхода топлива.
В двигателях, работающих на топливах, содержащих тяжелые уг-
леводороды, отмечается бытрое загрязнение проточных частей турбо-
компрессоров. Поэтому важно обеспечить их эффективную промывку
в процессе работы. Опыт показывает, что только аксиальные турбины
меньше загрязняются и легко промываются. В радиальных турбинах
отложения на лопатках практически не удаляются. Этим объясняется,
что большинство двигателестроителей, включая и «Вяртсиля», в своих
двигателях отдает предпочтение турбинам аксиального типа. В пользу
аксиальных турбин свидетельствует и тот факт, что они сохраняют
высокую эффективность (кпд) в широком диапазоне мощностей.
Выбор шариковых подшипников, обладающих в сравнении с
подшипниками скольжения меньшими потерями на трение, также
способствовал росту кпд ГТК.
Особое внимание в двигателе было обращено на выхлопную сис-
тему.
Выхлопные трубопроводы при работе испытывают нагрузки, вы-
зываемые высокими температурами, импульсным и коррозионным
воздействием газов, и вибрациями. Это часто приводит к образованию
в них трещин и утечке выхлопных газов в машинное отделение. Чтобы
избежать подобных поломок выхлопные трубы на двигателе закрепили
с одного конца, обеспечив им возможность свободного расширения в
аксиальном направлении.
73
6.2 Двигатели L20
Двигатели этого модельного ряда появились на рынке в 1992 г. и в
1996 году полностью заменили двигатели 22 модели. В основу разра-
ботки были положены конструктивные решения и опыт эксплуатации
на тяжелом топливе двигателя 22HF. Двигатели модельного ряда L20
представляют собой новое поколение, в основу конструкции которого
заложены требования обеспечить:
• эффективную работу на тяжелых топливах;
• низкую стоимость производства, монтажа и эксплуатации;
• легкость технического обслуживания;
• низкий уровень эмиссии NOx.
Здесь важно отметить, что стоимость двигателя L20 ниже стои-
мости L22.
Технические данные двигателя «Вяртсиля L20»
Параметры Размерность Величина
Диаметр цилиндра мм 200
Ход поршня мм 280
Мощность цилиндра кВт 130-200
Скорость вращения об/мин 720-1000
Ср. эффект, давление бар 24,6-27,3
Давление наддува бар 2,4-2,5
Макс, давление цикла бар 170-190
Количество цилинд- Исполнение рядное 4,5,6,8,9
Конструкция двигателя (рис. 6-10,6-11) базируется на принципе
моноблочности. Количество комплектующих детелей существенно
сокращено путем объединения ряда деталей в моноблоки, внещние
трубопроводы в основном заменены на сверления в блоках.
В частности, объединены в моноблок (multyduct) патрубки, обес-
печивающие:
• подвод воздуха из ресивера в крышку цилиндра;
• придание воздуху вращательного движения для оптимизации
сгорания топлива на малых нагрузках;
• вывод газов в выхлопную систему;
• отвод охлаждающей воды из крышки в отводной канал в блоке;
74
• охлаждение и изоляция выхлопного патрубка;
• крепление выхлопной системы на двигателе.
Резко уменьшено количество резьбовых соединений, ряд соедине-
ний заменены на самоуплотняющиеся скользящие посадки (plug-in),
что сокращает объем монтажных работ при техническом обслужи-
вании. Так, крышка цилиндра может быть снята без разъединения и
разборки патрубков подвода и отвода охлаждающей воды, наддувоч-
ного воздуха и масла.
Стабильная подача топлива, осуществляемая при высоких дав-
лениях впрыска (Рф.макс =1200 бар и давление открытия иглы фор-
сунки -450 бар), реализация рабочего процесса с высокими Рмакс =
170-190бар обеспечили хорошую экономичность в широком диапазоне
нагрузочных режимов (ge = 183 г/кВт.ч на 85% нагрузки, 185 и 187
г/кВт.ч на 100% и 50% нагрузки, соответственно).
Крышка цилиндра отлита из чугуна и имеет жесткую коробча-
тую конструкцию, 4-х клапанная, с тремя днищами. Для крышек
двигателей Вяртсиля характерно наличие 4-х шпилек крепления их к
Рис. 6-10. Двигатель
Вяртсиля L20.
75
блоку, что облегчает операции по монтажу, а, главное, — обеспечивает
большую свободу выбора конфигурации внутренних каналов. Особое
жои1иЖ:ЖЛ|1®жя111в bi
BlttgjOililsii fi fipf|С1й|яш «list <мо-
f IKIIWMJW II ЖОВ® тружци®й©в®б®ва нцицанце
УОВЖЖЙЖО йбоЖЖНИЮ Ж1©111©в®(1ДвВД111ШЮ^оФо1В1ВЯ11Й
в зонах о а ' ' индров и рг >
Д|ро11Я1111В111111й1бл11ВкЖ111К1Р1»ШДЛяб'0ДИ1ИИСТ1ДОс0‘
' «’ ': г ъ. ' / ® 'я . г' / ' Г' г * ".
” 3
дазоввяввйвджвя ь
” Я ft i , « >/. >. де . , де
• Ресивера на „деч «де , ,
воздуха;
• Распредддацедьищх каналов
Р z , , ft, ' zf ft ; ft > < \ ,7- fz ft , .
1ункции
ограничения осевого смещения коленчатого вала.
Крепление двигателя к судовому фундаменту осуществляется
четырьмя опорами через эластичные амортизаторы.
Втулка цилиндра обладает минимальными деформациями как
благодаря собственной жесткости, так и за счет прочности и жесткости
посадочных поясов блока цилиндров. Температурный уровень внут-
ренних поверхностей втулки сохраняется в оптимальных пределах
(160-120°) за счет интенсификации вращательного движения охлаж-
дающей воды в зоне, располагающейся ниже посадочного фланца. Для
очистки боковой поверхности головки поршня от откладывающегося
на ней нагара, который впоследствии полирует зеркало цилиндра и
приводит к его повышенному износу, в верхнюю часть втулки уста-
навливается счищающее (огневое или антиполировочное) кольцо (см.
рис. 6-12). Рабочую поверхность втулок цилиндров рекомендуется
перехонинговывать через 12000 часов.
Поршень составной — стальная головка и тронк из сфероидально-
го графита, обладающего отличными антиизносными свойствами и
малым тепловым расширением, что в сопоставлении с алюминиевыми
юбками дает возможность работать с малыми зазорами в цилиндре.
1 Рекомендуется через 12000 часов поршень разбирать и очищать внутренние
поверхности от образовавшихся отложений.
76
В головке располагается камера сгорания типа Гессельмана, ха-
рактеризующаяся высоким воротником, защищающим попадание
струй распыливаемого топлива на зеркало цилиндра. Головка поршня
охлаждается маслом, поступающим в нее по сверлению в стержне
шатуна’. По выходе из головки шатуна поток масла уплотняется
башмаком,скользящим по ее поверхности и поджатым пружиной
(см. чертеж камеры сгорания — рис. 6-11). В зазор между поршнем и
втулкой цилиндра в дополнение к маслу, попадающему на цилиндр
путем разбрызгивания, организована специальная подача масла че-
рез отверстия в тронке поршня (см. описание поршня двигателя R22
и Рис. 6-3.
Рис. 6-11. Камера сгорания двигателя 4L20
Это обеспечивает наличие гарантированного количества масла
между трущимися поверхностями поршня и втулки и предохраняет
в экстремальных случаях от образования задиров и повышенных
износов. В головке установлены 2 компрессионных и 1 маслосъемное
кольца с антифрикционным покрытием.
Шатун двутаврового сечения, стальной, штампованый. Верхняя
головка шатуна имеет ступенчатую форму. Поскольку наибольшие на-
грузки несет нижняя половина подшипника, ее ширина увеличена.
Ширина верхней половины меньше, что дает возможность соот-
ветственно развить опорную поверхность бобышек поршня.
Мотылевый подшипник имеет косой разъем и два шатунных болта,
затяг которых обеспечивается гидравлическими домкратами.
77
Как известно, в V- образных среднеоборотных двигателях на мо-
тылевой шейке располагаются два шатуна и, чтобы не увеличивать ее
длину и, тем-самым, межосевое расстояние цилиндров приходится
сокращать ширину подшипников и, тем-самым, жертвовать величиной
удельных давлений в них. Поскольку двигатели L 20 выпускаются
только в рядном исполнении, необходимость в отмеченном компро-
миссе отсутствует, и это позволило увеличить ширину подшипника
и существенно снизить величину удельных давлений.
Втулка цилиндра.
Счищающее /огневое
кольцо
Головка поршня
Рис. 6-12. Устанавливаемое на втулку антиполировочное
(счищающее) кольцо.
Вкладыши подшипников рамовых и мотылевых трехслойные,
подшиник головного соединения- бронзовый.
Рис. 6-13. Моноблок ТНВД.
78
тнвд золотникового типа, давление впрыска 1400 бар. Корпус
насоса интегрирован в общий блок с системой подачи топлива низкого
давления и с направляющими клапанов. На рисунке 6-13 хорошо вид-
ны самоуплотняющиеся соединения с топливными магистралями.
Форсунки неохлаждаемые, несмотря на то, что они рассчитаны на
работу на тяжелом топливе. По утверждению фирмы двигатель может
пускаться, работать в широком диапазоне мощностей и останавли-
ваться на тяжелом топливе без перехода на дизельное.
Проверка и регулировка топливовпрыскивающей
аппаратуры двигателя L20
ТНВД проверяется на соответствие момента начала активного хода
плунжера установочным данным по моменту разобщения плунжером
области низкого давления с областью высокого давления. Для этого
необходимо:
• перекрыть подачу топлива на двигатель и отвернуть с обоих
сторон насоса противоэрозионные пробки;
• поворачивая коленчатый вал в сторону вращения установить
его в положение 220 до ВМТ (на ходе сжатия);
• продолжая вращать вал установить момент перекрытия верхней
кромкой плунжера впускного и отсечного отверстий (рис. 6-14),
что соответствует началу активного хода плунжера;
Рис. 6-14. Установка момента начала активного хода плунжера.
• по маховику определить соответствующий этому положению
угол, сравнить его с рекомендованными данными. Отклонение
не должно превышать 0,5°, разница в отклонениях между цилин-
драми должна укладываться в 1,0°.
79
При превышении отмеченных величин необходима регулировка
длины толкателей плунжеров, которая осуществляется в следующей
последовательности:
• снять насос с основания и закрепить основание гайками 8;
• измерить расстояние X (рис. 6-15) и,используя график рис. 6-16,
сопоставить его с установочной величиной.
Пример. В соответствии с измерениями подача (активный ход)
начинается за 15,5° до ВМТ, а установочная величина равна 16,8°.
Разница составляет 1,3°, из графика видно, что расстояние X должно
быть на 0,85 мм меньше.
• отвернуть стопорящий винт 49 и, выворачивая толкатель, изме-
нить X до требуемой величины.
Рис. 6-15. Регулировка длины
толкателя плунжера.
Форсунки проверяются на наличие нагара на сопле и в отверстиях
(очистка латунной щеткой и спец.сверлами), состояние пружины (затяг
регулируется на стенде) и свободу перемещения иглы в направляющей.
В случае зависания иглы нагреть распылитель в масле до 150-200°С.
Для проверки плотности посадки иглы на седло поднять давление на
стенде до Рф.о. минус 20 бар и удерживать 10 секунд. Капли топлива
с соплового наконечника не должны падать, но он может быть влаж-
ным. Если падение давления на 50 бар происходит быстрее, чем за 3
секунды, это свидетельствует об износе распылителя и он заменяется.
Время падения более 20 сек. свидетельствует о загрязнении иглы и
она должна быть очищена.
Величина хода иглы проверяется на снятом распылителе, опре-
деляется по сумме расстояний А+В (рис. 6-17). Последняя строго
ограничивается и не должна выходить за допустимые пределы.
80
Рис. 6-16. Вспомога-
тельный график.
В противном случае увеличенный ход иглы сопровождается усиле-
нием динамических ударов при посадке иглы на седло и его быстрому
разбиванию.
Рис. 6-17. Проверка хода иглы.
81
6.3 Двигатели L/V 26, 32, 38, 46 и 64
Перечисленное семейство двигателей прошло ряд модернизаций и
сегодня по своим параметрам и конструктивному исполнению может
быть отнесено к новому поколению двигателей Вяртсиля.
Основные технические данные
Двигателей L/V 26 Диаметр цилиндра Ход поршня Скорость Мощность цилиндра Ср. эфф. давл. Число цилиндров 260мм 320мм 900-1000 1/мин 280-295 кВт 22-20,8 бар 6,8, 9, 12, 16, 18.
Двигателей L/V 32 см. рис. 6-18.
Диаметр цилиндра320мм
Ход поршня Скорость Ср. скорость поршня Степень сжатия Давление сжатия Макс.давление Давление наддува 350 мм 720-750 об/мин 8,4-8,75 м/с е=12 Рс =100 бар Pz =140 бар Рк =2,4 бар
Ср. эфф. давление: в двигателях первых выпусков 19,8-18,2 бар
в более поздних в последних моделях Мощность цилиндра 23,3-22,9 бар 24- 21,3 бар 450-500 кВт
Двигатели выпускаются в: рядном (L) — 6-8 и 9 цил. и в V-образном
исполнении (V) — 12,16 и 18 цилиндров.
Двигателей L/V 38 У Диаметр цилиндра ход поршня скорость Степень сжатия Ср. эфф. давление Мощность цилиндра 1иВ 380мм 475мм 600 об/мин 12,7 — двиг. А, 15 — двиг.В 24,5 — двигА, 26,9 — двиг.В 660 кВт - 725 кВт
Двигатели выпускаются в рядном и V- образном исполнении с 6,
8,9 и 12,16,18 цилиндрами.
82
Двигателей L/V 46
Диаметр цилиндра460мм
ход поршня
Скорость
Ср.эфф. давление:
Мощность цилиндра
Двигатели выпускаются в рядном и V- образном исполнении с 4,
6, 8, 9 и 12, 16, 18 цилиндрами.
580мм
450, 500, 514 об/мин
25, 22,5, 21,9 бар
900 кВт
Двигателей L/V 64
Рядные V-образные
двигатели двигатели
Диаметр цилиндра 640мм 640мм
Ход поршня 900мм 770мм
Скорость 327,3-333,3 об/мин 400-428,6 об/мин
Ср. эфф. давл. 25,5-25 бар 23,5-22 бар
Цил. мощность 2010 кВт 1940 кВт
Двигатели 46 и 64 модельных рядов имеют 6,8,9,12,16,18 цилин-
дров.
Конструкция
В конструкции двигателей рассматриваемых модельных рядов
«Вяртсиля», равно, как и машин меньшей размерности, много общего.
Для них характерно наличие монолитного литого блока, объединен-
ного в одно целое с картером и обеспечивающих высокую поперечную
и продольную жесткость.
Коленчатые валы подвешиваются снизу. Масса противовесов
подбирается такой, чтобы уравновесить силы инерции вращающихся
масс и, тем самым, выровнять кривую сил давления на подшипники.
Это способствует снижению средних удельных давлений на вкладыши
рамовых подшипников, что позволяет увеличить толщину и прочность
масляного клина в них. В частности, в двигателе L46 средние удель-
ные давления в рамовых подшипниках не превышают 15 N/mm2, а
мотылевых 25N/mm2. Поршни имеют стальные, охлаждаемые головки
и чугунные юбки (рис. 6-19). Юбки, в целях сохранения ими цилин-
дрической формы, разгружены от механических нагрузок, последние
передаются от донышка поршня непосредственно на бобышки порш-
невого пальца. В целях выравнивания температур головки поршня в
нее заливается масло и охлаждение осуществляется взбалтыванием.
В более поздних конструкциях охлаждение проточное маслом, пос-
тупающим по шатуну. Из головного подшипника масло через палец
83
и бобышки направляется непосредственно в головку поршня. Смазка
тройка и втулки цилиндра осуществляется этим же маслом, поступа-
ющим через 4 дозирующих сопла в канавку, расположенную в верхней
части юбки ниже маслосъемного кольца, (см поршень — рис. 6-19).
Поршневые кольца хромированные, поршневые канавки подвергнуты
закалке и шлифованы в целях повышения их износоустойчивости.
В двигателях 64 модели в целях повышения износостойкости верхнее
компрессионное кольцо на рабочей поверхности имеет хромо-кера-
мическое покрытие, верхняя горизонтальная поверхность покрыта
хромом, а нижняя подвергнута закалке.
с. 6-18. Поперечный
фез двигателя R32.
84
На рабочую поверхность второго компрессионного кольца также
нанесен слой хромо-керамики. Поверхности канавок подвергнуты ин-
дукционной закалке. В ранних моделях двигателей устанавливалось 2
компрессионных и 2 маслосъемных кольца, в новых ограничиваются
одним маслосъемным кольцом.
Распределение потоков масла в кривошипно-шатунном механизме
(КШМ) иллюстрируется рис. 6-19.
Рис. 6-19. Поршень и канализация масла в КШМ
Шатуны 32 модели имели двутавровое сечение и косой разъем. Сегод-
ня в 32,46 и 64 двигателях стали применяться нижние головки морского
типа (рис. 6-19) с прямым разъемом. Подобное решение позволило уве-
личивать диаметр мотылевой шейки независимо от диаметра цилиндра
и осуществлять демонтаж поршня с шатуном без разборки мотылевого
соединения, что упрощает демонтажные работы.
медь со
свинцом 1.0
олово
оловянный
антимонит 0.08
никель
Рис. 6-20. Структура вкладыша подшипника.
85
Вкладыши мотылевых и рамовых подшипников трехслойные
(см. рис. 6-20), верхний слой представляет собой сплав Антимонит,
изготавливаемый на основе олова Sn и сурьмы Sb, обладающий вы-
сокими антифрикционными и антикоррозионными свойствами, что
увеличивает срок его службы в сравнении с ранее применявшимся
оловянно -свинцовистым покрытием ориентировочно в два раза.
Для облегчения приработки подшипника на сплав Sn-Sb наносится
тонкий слой олова. В качестве подложки, обеспечивающей лучшую
сцепляемость антимонита с медным сплавом, используется тонкий
слой никеля.
Втулка цилиндра. Деформация втулок, обусловливающая
нарушение их цилиндрической формы, обычно происходит под
действием напряжений, возникающих при затяге крышечных
шпилек, а также под влиянием механических и термических на-
грузок, испытываемых втулкой при работе двигателя. Учитывая,
что уровень форсировки современных двигателей существенно
повысился (Ре = 25 бар и более, Рмакс. = 160-180 бар), большинс-
тво двигателестроительных фирм, в том числе и Вяртсиля, в це-
лях уменьшения механических напряжений стали изготавливать
втулки с высоким мощным фланцем (воротником) — см. рис. 6-21.
Одновременно, чтобы избежать роста температурных напряжений
86
в связи с утолщением металла в верхней части цилиндра и сохра-
нить температуры рабочей поверхности цилиндра не выше 160°С
(температура, выше которой интенсифицируется полимеризация
масла — нагаро- и лакообразование) охлаждающая вода приближе-
на к внутренней охлаждаемой поверхности путем использования
сверлений в воротнике. В верхней части цилиндра устанавливается
счищающее— антиполировочное кольцо.
Турбонаддув осуществляется с использованием турбоагрегатов
Браун-Бовери серии VTR
В зависимости от назначения двигателя и характера превалиру-
ющих в эксплуатации режимов фирмой применяются следующие
варианты организации наддува:
• наддув при постоянном давлении газов перед турбиной — глав-
ные двигатели, в основном, работающие в условиях постоянного
длительного нагружения;
• наддув импульсный — двигатели главные и вспомогательные,
работающие в условиях часто меняющихся нагрузок. Сравнение
выщеперечисленных видов наддува приведено на рис. 6-22;
Темп. вып. газов
200
Уд. эфф. расход топлива
RPM
Рис. 6-22. Сопоставление
импульсного наддува и
наддува при постоянном
давлении — (двигатель
R22 — верхние кривые для
P=const).
• наддув комбинированный — «SPEX» (Swirl -Puls-Exhaust), в ко-
тором одновременно используются преимущества импульсного
наддува (хорошее обеспечение двигателя воздухом на режимах
87
малых нагрузок и на переходных режимах) и наддува при посто-
янном давлении (более высокая эффективность использования
энергии газов на режимах полных нагрузок).
Из рис. 6-23 видно, что при нагрузках ниже 60% наддув при посто-
темп. выхл. газов за
цилиндрами
500
Рис. 6-23. Влияние нагрузки
двигателя на температуру
выпускных газов при различных
вариантах наддува.
янном давлении не обеспечивает двигатель достаточным количеством
воздуха и температура выхлопных газов за цилиндрами удерживается
на высоком уровне. Наддув импульсный и наддув SPEX существенно
выигрывают.
Сущность системы наддува SPEX состоит в том, что ясе цилиндры
работают как и при наддуве р= const на один выхлопной коллектор, но его
объем существенно меньше. Вход выхлопных импульсов осуществляется
по касательной и движение газов по коллектору приобретает вращатель-
ное движение (swirl). Таким образом, кинетическая энергия импульсов
не теряется на расширение в коллекторе и хаотичную турбулизацию
врывающихся в него импульсов, а используется на закручивание потока
газов и придание ему направленного движения с большими скоростями.
При этом происходит сглаживание импульсов и исключается их интер-
ференция, обычно препятствующая продувке цилиндров.
Системы охлаждения и смазки
Особенностью компоновки систем является то, что они полностью
интегрированы в отдельные компоненты двигателя и внешние трубы
практически отсутствуют. Система охлаждения (рис. 6-24 разделена
на два контура — высокотемпературный (ВТ) и низкотемпературный
(НТ). В высокотемпературном контуре на выходе из двигателя подде-
рживаются высокие температуры (95°С), чтобы обеспечить воспламе-
нение и сгорание тяжелых топ лив,особенно на малых нагрузках. Этой
же цели служит подогрев наддувочного воздуха на малых нагрузках,
осуществляемый подачей горячей воды ВТ контура во вторую ступень
88
воздухоохладителя. Для подогрева холодного двигателя перед пуском
вода ВТ контура направляется в встроенный в систему подогреватель.
Низкотемпературный контур служит целям охлаждения наддувоч-
ного воздуха и масла циркуляционной системы смазки. Охлаждение
воды ВТ и НТ контуров осуществляется в водоводяных холодильни-
ках прокачиваемой через них забортной водой.
Терморегулятор настроен на два режима: 35-45° на полных нагруз-
ках и 65-70°С на малых.Все насосы за исключением насоса «Stand-by»
приводятся от двигателя.
Система смазки (рис. 6-25). В нее входят главный масляный насос
Рис. 6-24. Система охлаждения двигателей Вяртсиля.
89
с приводом от двигателя, электроприводной насос предварительной
прокачки, маслоохладитель, полнопоточный самоочищающийся
(обратным потоком) фильтр и встроенный байпасно цетробежный
фильтр. Последний служит целям более глубокой очистки масла и
является индикатором степени загрязнения масла.
двигатель
Кр/
Рис. 6-25. Система смазки двигателей Вяртсиля.
90
6.4. Двигатели L32 DF (Dual Fuel)
Рядом ведущих фирм, в том числе Катерпиллар, Вяртсиля и др.
были разработаны и промышленно освоены двигатели, работающие
на природном газе по циклу Отто. Однако, на судах они не могли ис-
пользоваться в силу ряда объективных причин. Главной из которых
являлись их взрыво- и пожароопасность. Особое место в ряду судовых
двигателей занимает двигатель L32DF (Dual — Fuel), представляющий
двухтопливный вариант двигателя Вяртсиля L32, работающий по
дизельному циклу с использованием как дизельного топлива (MDO),
так и газообразного топлива с эф. кпд 44%1. Переход двигателя с одного
вида топлива на другой осуществляется автоматически и, практичес-
ки, мгновенно, вне зависимости от режима, на котором он работает.
Важной особенностью двигателя является то, что он работает на бед-
ных газовых смесях, т. е. воздуха в цилиндре ориентировочно в два
раза больше, чем требуется для полного сгорания.
Ре
22
коэффициент избытка воздуха
Рис. 6-26. Рабочий диапазон соотношения «воздух- газ».
Поэтому большое количество тепла расходуется на нагрев воздуха,
а это, естественно, способствует существенному снижению пиковых
значений температур сгорания и резкому уменьшению образования
NOx. Главное же — избежать взрывного сгорания (детонации), которое
происходит при богатых смесях (малых а г — см. рис. 6-26). В то же
самое время, излишне большие <х.г, как видно из рисунка, приводят
к характерному для газовых двигателей пропуску вспышек в цилин-
1 Для газовых двигателей эта цифра является рекордно низкой.
91
драх. Поэтому при всех нагрузках и скоростных режимах значения
коэффициента избытка воздуха должны лежать в относительно узком
диапазоне. Регулировка соотношения воздух-газ осуществляется
автоматически на всех режимах путем изменения производитель-
ности турбо-компрессора посредством байпасирования выхлопных
газов,часть их направляя минуя ГТК. Перед двигателем газ фильтру-
ется, сжимается в зависимости от нагрузки двигателя до давлений
(3,5 бар на полной нагрузке), величина которых зависит от режима
двигателя, и направляется к главному впускному клапану, устанав-
ливаемому на крышке каждого цилиндра. Управляющие импульсы
на клапаны подаются из электронного блока управления, который, в
свою очередь, получает информацию от датчиков оборотов, нагрузки,
давления и температуры наддувочного воздуха и датчика контроля
сгорания в каждом цилиндре (см. рис. 6-27). Главный газовый клапан
открывается и закрывается в заданные моменты времени и подает
требуемое количество газа во впускной патрубок крышки цилиндра.
Таким образом, газ поступает в цилиндр в процессе его наполнения
воздухом. Воспламенение бедной смеси газ-воздух инициируется
пламенем, возникающим при воспламенении заранее впрыснутого
в камеру сгорания небольшого количества топлива (pilot-injection)’.
Подача дизельного топлива на двигатель (рис. 6-28) осуществляет-
ся двумя путями. Топливо для предвпрыска сжимается отдельным
электр. блок управл.|-
----1——г--------1 газ
клапан
подачи
газа
ф соленоид
вход:
обороты,
нагрузка
отношение:
воздух\топл
и пр.
воздуху
зтчик сгорания

3
Рис. 6-27. Схема подачи газа в цилиндр.
1 Расход топлива на предвпрыск не превышает 1 г/кВтч.
92
скальчатым насосом до 1000 бар и направляется в аккумулятор, в
котором поддерживается постоянное давление. Из аккумулятора
топливо поступает к форсункам. Каждая форсунка имеет два сопла
и две иглы. Малая игла для pilot-injection и большая — для основной
подачи при работе двигателя на MDO. Момент и продолжитель-
ность открытия малой иглы определяется открытием и закрытием
установленного в форсунке клапана, управляемого соленоидом. Ток
на соленоид поступает от общего электронного блока управления.
Большая игла управляется гидродинамически, угол опережения и
количество подаваемого топлива задаются ТНВД в его обычном для
дизелей варианте.
ТНВД для работы на MDO
Форсунки
Рис. 6-28. Подача дизельного топлива в цилиндры.
Основное преимущество двухтопливных двигателей состоит в
том, что они работают на дешевом газовом топливе и их рационально
применять на судах-газоходах и в в береговых энергетических установ-
ках на газовых промыслах. В случае перебоев в подаче газа двигатель
может продолжать работать на жидком топливе MDO (Marine Diesel
Oil).
93
6.5. Двигатели Вяртсиля-ЗУЛЬЦЕР Z-40
Производство двигателей Z-40 было начато фирмой «Зульцер» в
1967г, первоначально это были 2-х тактные двигатели с цилиндровой
мощностью 440кВт, в середине 70-х годов двигатель был модифи-
цирован в 4-х тактную конструкцию, цилиндровая мощность была
поднята до 530-550 кВт. при Ре= 18,24 бар и п= 600 об/|мин. В 1987г.
был увеличен ход поршня с 480мм до 560мм; при 510 об/мин и Ре=22,1
бар цилиндровая мощность увеличилась до 660кВт. Удельный расход
топлива в двигателях Z-40 составлял 214 г/кВт.ч, в двигателе ZA-40
был снижен до 191 г/кВт.ч. В последней модификации (длинноходном
двигателе) — Z AS-40 (Рис. 6-29) ge = 181г/кВт.час. Причем, эти расходы
топлива гарантируются для тяжелых топлив с вязкостью до 700 сСт1.
При модернизации двигателя степень сжатия потребовалось увели-
чить, чтобы увеличить температуры в конце сжатия и, тем самым,
улучшить условия воспламенения тяжелых топлив. Максимальное
давление сгорания Pz в ранних моделях двигателей составляло 132
бар, в последних моделях за счет увеличения степени сжатия Pz под-
нято до 150-155 бар. Нужно отметить, что проблеме экономичности
работы в зоне малых нагрузок разработчиками уделялось большое
внимание, так как с самого начала двигатели этого ряда создавались
для использования на паромах, круизных судах, ледоколах, буксирах,
где существенную долю времени занимают долевые нагрузки. Поэто-
му в двигателях была реализована идея «VIT», обеспечивающая при
уменьшении нагрузки сохранение Pz на достаточно высоком уровне
путем увеличения угла опережения подачи топлива с помощью косой
кромки на плунжере ТНВД. Эффективность VIT иллюстрируется
рис. 6-30.
Наличие двухступенчатого воздухоохладителя позволяет осу-
ществлять подогрев наддувочного воздуха на режимах малых нагру-
зок, 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 (см. рис. 6-31).
Использование высокоэффективного турбокомпрессора VTR4A
предопределило наличие избытка воздуха на нагрузках свыше 85%
от номинала (MCR). Это позволило ограничить рост максимального
1 Эту цифру не следует воспринимать как рекомендацию, скорее она свиде-
тельствует, что двигатель может работать на подобных топливах, по и толь-
ко. В действительности, опыт эксплуатации среднеоборотных двигателей
показал, что достаточно хорошие эксплуатационные показатели могут быть
получены при использовании топлив с вязкостью не выше 180-240 сСт
94
Рис. 6-29. Поперечный разрез двигателя «Зульцер» ZAS 40.
95
Рис. 6-30. Влияние угла опережения на экономичность.
Рис. 6-31. Схема организации турбонаддува двигателя ZAS — 40.
давления в цилиндре путем ограничения роста давления в ресивере
стравливанием излишнего воздуха в атмосферу. Наличие избытка
энергии выхлопных газов не исключает также возможность отбора
части газов на дополнительную газовую турбину, подключаемую либо
к генератору, либо к редуктору привода гребного вала.
96
традиционный палец
сфер, палец
вращающийся поршень
износ втулки
7
маслосъемное
кольцо
маслосъемное
кольцо
смазка
под давлением
смазка
разбрызгиванием
Рис. 6-32. Сопоставление поршней с пальцем и сферической головкой.
Конструкция
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 (см. рис. 6-32):
• Увеличивается опорная поверхность, соответственно снижаются
удельные давления в головном подшипнике.
97
• Непосредственная передача механических нагрузок от сил дав-
ления газов на головное соединение исключает обычно имеющую
место деформацию поршня в зоне бобышек и юбки, что, в свою
очередь, позволяет избежать необходимости придания поршню
бочкообразной формы1, уменьшить зазор между поршнем и втулкой
цилиндра;
• уменьшение зазора в свою очередь снизило динамические удары
поршня по втулке, вызывающие ее упругую деформацию и, как
следствие — кавитационные разрушения.
• Поршень с помощью встроенного в верхнюю головку храпового
механизма при каждом отклонении шатуна поворачивается
относительно своей оси. Вращение поршня обеспечивает более
равномерный износ его юбки и поршневых колец, исключается
овализация износа.
Обычно смазка ЦПГ 4-х тактных тронковых двигателей осущест-
вляется маслом, поступающим путем разбрызгивания из кривошип-
ной камеры и единственным и не всегда достаточным средством регу-
лирования количества масла, остающегося на поверхности цилиндра
в зоне колец, являются маслосъемные кольца.
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 под-
нимается вверх и выводится на рабочую поверхность в зазор между
поршнем и втулкой. Принудительная подача позволила переместить
маслосъемное кольцо в нижнюю часть юбки и расположить его в зоне,
где втулка цилиндра при всех положениях поршня практически не
изнашивается и это, естественно, существенно улучшает условия
работы кольца и его износ (см. рис. 6-32). Отмеченные мероприятия
стабилизировали и уменьшили расход масла до 0,7-1,5 г/кВт. ч.
Поршень составной, головка охлаждается маслом, поступающим
из верхней головки шатуна (см. рис. 6-33). В последней модификации
ранее существовавшие полости охлаждения заменены на сверления,
обеспечившие за счет взбалтывания в них масла (коктейльный эффект)
1 Ассиметричная деформация поршней даже при придании им бочкообраз-
ной формы нередко при перегрузках является причиной задиров ЦПГ.
98
Рис. 6-33. Поршень двигателя
ZAS40.
более интенсивное охлаждение головок и равномерное распределение
температур.
Головной подшипник трехслойный и состоит из: стальная осно-
ва — свинцовистая бронза — рабочий слой (PbCu — 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 водой,
движущейся с большой скоростью по сверлениям, в которые вставлены
теплоизолирующие трубки, что позволяет избежать переохлаждения
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
(см. рис. 6-34). Это позволило снизить температуры и, главное, обеспе-
чить более равномерное их распределение и, соответственно, меньшие
деформации днища. Выигрыш — меньшая вероятность появления в
99
днище трещин, что чаще встречается, — существенно сокращаются
деформация (коробление) седел клапанов, потеря плотности посадки
клапанов и их прогорание. Интенсивное охлаждение крышки в районе
клапанов позволило отказаться от вставных корпусов клапанов. Седла
выхлопных клапанов вставные, охлаждаемые и температура посадоч-
ной поверхности тарелки клапана лежит в пределах 360-390°С, темпе-
ратура в центре тарелки 500°С. (см. рис. 6-35) Клапаны изготовлены
из нимоника (никелевый 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
мотылевых подшипников (см. рис. 6-36), возникающей при относи-
тельном перемещении контактирующих поверхностей вкладыша и
постели (тела головки шатуна). К сожалению, эти перемещения всегда
присутствуют и обусловлены циклическим характером нагрузок и
деформаций. Задача состоит в том, чтобы они были небольшими и не
приводили к глубоким повреждениям, которые чаще всего происхо-
дят при ослаблении или неправильном затяге шатунных болтов. Нам
известен случай, когда вовремя необнаруженная фреттинг-коррозия
прогрессировала. Произошло проворачивание вкладышей, масляный
канал в подшипнике перекрылся и отсутствие поступления масла
привело к глубокому задиру подшипника и шейки вала — двигатель
вышел из строя на длительный срок.
Рис. 6-34. Старый и новый варианты крышки цилиндра
двигателя Z40.
100
560kW/cyi at бООгр/п * bmep » 219 bar
Рис. 6-35. Температуры поверхностей камеры сгорания
двигателя Z40.
Рис. 6-36. Пример фреттинг-коррозии мотылевого подшипника.
В заключение следует отметить, что по ряду причин, в том числе,
по конкурентной способности этих двигателей концерном «Вяртсиля»
принято решение прекратить их дальнейшее производство.
101
7. £?жГАТЕЛИ «КАТЕРПИЛЛАР»
Фирма «Катерпиллар инк.» (США) является одним из мировых
лидеров по производству высоко- и среднеоборотных дизелей и
машин промышленного и транспортного применения, а также, для
использования на судах речного и морского флота в качестве главных
и вспомогательных агрегатов. В продаже и сервисном обслуживании
заняты 195 дилеров, размещенных на всех пяти континентах.
грт '
2100-2600
2800
1800-2803
1200-2300
1200-1925
High-Speed Marine Propulsion Engines
I ; = ! i i J
; ' 4 «
I i
211-313 MW-Engim Series m ’
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700
Medium-Speed Marine Propulsion Engines
rpm
900-1050
720*750
5CQ?5U
О 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Рис. 7-1. Модельный ряд двигателей Катерпиллар — МАК.
102
Гамма мощностей покрывает диапазон от 93 до 16000 кВт. — рис. 7-1.
Все двигатели 4-х тактные, с газотурбинным наддувом, обладаю-
щие высокой надежностью и ресурсом и предназначены для тяжелых
условий эксплуатации (класс двигателей — HEAVY DUTY). Двигатели
малой размерности в морском исполнении используются на быстро-
ходных служебных и прогулочных судах и рассчитаны на исполь-
зование дизельных топлив. Двигатели большой размерности (3500
и 3600 серий и МАК) устанавливаются на быстроходных паромах,
буксирах, траулерах и грузовых судах. Двигатели 3600 серии и МАК
могут использовать сырую нефть и тяжелые топлива. В последние
годы широкое развитие получили двигатели 3400,3500 и 3600 серий,
конвертированные на работу на природном газе по циклу Отто.
Фирма непрерывно модернизировала двигатели, главное вни-
мание уделяя усовершенствованию рабочего процесса в целях сни-
жения эмиссии вредных составляющих выхлопных газов, а также
повышению экономичности и надежности двигателей. В последние
годы в связи с ужесточением требований к чистоте выхлопа фирма
разработала программу ACER, на реализацию которой было выде-
лено 500 млн. долларов. В этой программе все используемые ранее
пути совершенствования рабочего процесса были взаимоувязаны
и объединены в единый блок. Более подробные сведения по ACER
изложены в главе 1.
7.1. Судовые двигатели 3500 и 3600 серий
Первые двигатели 3500 серии (рис. 7-2)появились на рынке в
1980 году, мощностной ряд покрывал диапазон 507-1417 кВт. В 1995 г.
была проведена модернизация — насос-форсунки с механическим
приводом и управлением от гидромеханического регулятора скоро-
сти были переведены на электронное управление от установленного
на двигатель микропроцессора; степень сжатия увеличена с 13,5 до
14; повышены давление наддува и мощность двигателей 3516В до
2238 кВт.
Рост тепловых нагрузок потребовал замены цельного поршня
на составной — стальная кованая головка и алюминиевая юбка (см.
рис. 7-2). Охлаждение головки поршня осуществляется маслом, посту-
пающим из общей циркуляционной системы смазки к установленным
в картере соплам, из которых струя масла направляется в сверления
в юбке поршня, ведущие во внутренние камеры головки поршня (см.
рис. 7-3). Интенсивное охлаждение головки позволило поднять первое
поршневое кольцо, что существенно улучшает эмиссию выхлопа.
103
Рис. 7-1. Двигатель Катерпиллар 3500В.
Важная особенность конструкции поршня состоит также в том, что
передача механических нагрузок от сил давления газов осуществляет-
ся непосредственно на бобышки поршневого пальца, минуя боковую
поверхность головки, где расположены канавки поршневых колец.
В итоге, канавки освобождены от обычно имеющих место деформаций
и вызываемой этим заклинки поршневых колец. Первое поршневое
кольцо имеет износостойкое плазменное покрытие, остальные коль-
ца хромированы, при этом толщина хромового покрытия достигает
1,0 мм, что повышает срок службы колец. Обычно толщина хромового
покрытия в двигателях не превышает 0,5 мм. От деформации освобож-
дается и юбка поршня, что позволяет уменьшить зазоры в цилиндре,
что, в свою очередь, способствует уменьшению расхода масла.
В 1998 г. вместе со стандартными двигателями были представлены
двигатели 3500 модели с увеличенным рабочим объемом цилиндров за
счет увеличения хода поршня с 190 мм до 215мм, степень сжатия повы-
шена до 15,5 и увеличена производительность ТК. В итоге — удельная
мощность двигателей, отнесенная к массе, повышена на 7%, на эту же
величину улучшена экономичность. В связи с ростом механических
нагрузок усилены коленчатый вал, шатуны.
104

мюбка
лоршн.пальца
да
и
Рис. 7-3. Конструкция составного поршня.
Важно отметить, что в двигателях Катерпиллар, обладающих
большими запасами по уровням тепловой и механической напря-
женности, коэффициент момента, представляющий собой отношение
максимально развиваемого момента к моменту на номинальном режи-
ме, в зависимости от исполнения двигателя может достигать 1,2-1,5.
Напомним, что чем выше коэффициент момента, тем выше тяговые
свойства двигателя, особенно важные для двигателей буксиров, ледо-
колов и пр. Увеличение крутящего момента при снижении оборотов
достигается увеличением цикловой подачи топлива сверх ее номи-
нальной величины, что обычно ограничивается уровнями тепловой
и механической напряженности двигателя. Поэтому высокие тяговые
свойства могут быть обеспечены лишь в двигателях, имеющих опре-
Технические данные стандартного варианта двигателя 3512В
(С рейтинг DM1830-03)
Параметр Величина
Мощность цилиндра кВт 102
Число оборотов 1/мин 800
Диаметр цилиндра/ход поршня мм 170
Ср. эффект, давление бар 15,85
Давление наддува бар 2,9
Уд. расход топлива г/кВт. час 195
105
деленные запасы по уровням напряжений. Здесь существенную роль
играет характеристика ГТК, который должен обеспечивать двигатель
достаточным количеством воздуха не только на режимах полной
мощности, но и в условиях пониженных оборотов и высокой нагрузки.
Еще раз отметим, что в конструкцию двигателей Катерпиллар такие
возможности заложены.
Поле допустимых в эксплуатации режимов двигателя 3512В,
(рис. 7-4) ограничено сверху заградительной характеристикой 4, кри-
вая Р представляет теоретическую винтовую характеристику. Здесь
важно отметить, что заградительная характеристика 4 в диапазоне
оборотов 1800-1400 позволяет несмотря на снижение оборотов подде-
рживать мощность постоянной и равной ее номинальной величине.
Где 1,2,3,4
Рис. 7-4. Поле допустимых
в эксплуатации режимов
двигателя 3512В.
Это обеспечивается увеличением среднего эффективного давле-
ния, в свою очередь зависящего от размера цикловой подачи топлива.
В рассматриваемом случае цикловая подача по отношению к номи-
нальной увеличивается, ориентировочно,в 1,3 раза.
Двигатели последней модификации 3500В имеют электронную
систему контроля и управления, описание которой приведено в разде-
ле 3. Благодаря электронному управлению двигатель 3500В по праву
можно отнести к новому классу «intelligent engines». Использование
микропроцессора для управления двигателем дает ряд неоспоримых
преимуществ. Прежде всего, управление двигателем переходит от
механического регулятора к электронному. Наличие компьютера
позволяет осуществлять связь с двигателем и компьютером в офисе
через модем по телефону. Обслуживающий персонал, подключив пе-
реносной компьютер (lap-top) к компьютеру двигателя (ЕСМ), может
получить информацию о предшествующей работе двигателя за весь
106
период его эксплуатации, содержащей сведения о режимах его работы,
параметрах обслуживающих систем и всех случаях нарушений (пере-
гревы, недостаточное давление масла, топлива и пр).В случае выхода
контролируемых параметров за установленные пределы автоматичес-
ки снижается нагрузка, либо двигатель останавливается. Кроме того,
обслуживающий механик, используя портативный компьютер, может
внести изменения в программу, перенастроив ее таким образом, чтобы
двигатель лучше реагировал на условия, в которых он эксплуатирует-
ся. Помимо функций диагностики двигателя компьютерная програм-
ма осуществляет самодиагностику всей электронной схемы.
Двигатели 3600 серии (рис. 7-5)
Двигатели 3600 серии производятся в 6, 8, 12, 16 и 18 -цилиндро-
вом исполнении. Двигатели 3600, как и двигатели 3500 серии нере-
версивные и комплектуются ВРШ или реверс-редукторами. Впрыск
топлива осуществляется насос-форсунками с механическим приводом
и механическим или электронным управлением от устанавливаемого
в этом случае микропроцессора.
В двигателе 3618 мощность цилиндра увеличена до 400 кВт путем
поднятия скорости до 1050 об/мин и Ре до 24,7 бар при Ps =3,2 бар.
Особенности конструкции
Двигатель отличается простотой конструкции, основанной на
традиционно используемых решениях (рис. 7-5) и обладает высоким
Технические данные двигателей 3600
Параметр Размерность Величина
Мощность цилиндрапри 720/1000 б/мин кВт 249/353
Число оборотов Номии./ миним 1/мин (1000-720) /(300-400)
Диаметр цилиндра / Ход поршня мм 280 / 300
Степень сжатия мм 13 (диз.топл.) 12,4 (тяж. Топл.)
Давление наддува бар 2,77
Макс. давл. crop. бар 165
Ср. эфф. давление (при 1000 об/мин) Бар 23
Уд. расход топлива г/кВт.час 204
Уд. расход топлива (при 1000об/мин) г/кВт.час 204
107
Рис. 7-5. Двигатель
Катерпиллар 3600 серии.
моторесурсом. Так осмотр компонентов верхней части двигателя
поднятие крышек цилиндров и всего, что на них навешено (TOP END
OVERHAUL), должен производиться не ранее 16-24 тысяч часов,
капитальный ремонт двигателя (MAJOR OVERHAUL) — через 36-44
тысячи часов.
Как уже отмечалось двигатели этой серии могут работать на
дизельных топливах, сырой нефти и тяжелом топливе. Обращает на
себя внимание малая уд. 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, образование которых вызывает заполировывание рабочих
поверхностей цилиндра, приводящее к ухудшению удержания на
них масла.
Особого внимания заслуживает применение оригинальных по
своему решению вкладышей рамовых подшипников. В целях повыше-
ния несущей способности подшипников и их надежности фирма при-
менила подшипники, разработанные Австрийской фирмой «Миба»
В отличие от широко применяемых трехслойных вкладышей со
сплошной заливкой рабочей поверхности мягким сплавом в этом под-
шипнике (рис. 7-6) мягким оловяно-свинцовым сплавом заполнены
только созданные в нем канавки, перемежающиеся с более твердыми и
износостойкими ребрами из алюминиевого сплава, хорошо несущими
108
нагрузку. Соотношение площадей — около 75% канавки, около 25%
алюминиевые ребра и максимум 5% — никелевые перемычки между
ними.
поды сплав- PbSn 18 Си 2.6-75%
стальная основа
алюм сплав- AIZn4.5 Sil .5 Cui.О
РЫ.О MgO.5 -25%
Рис. 7-6. Подшипник каиавочного типа «М1ВА»
переходный слой -макс .5%
Чтобы лучше понять преимущества этого типа подшипников,
рассмотрим наиболее типичные причины повреждений подшипников
дизелей.
* Посторонние частицы, внедряющиеся в подшипник и вызыва-
ющие появление рисок и задиров как в самом подшипнике, так
и на шейках;
* Задиры, возникающие при перегрузках, неудовлетворительном
качестве масла и пр.;
* Усталостные повреждения с образованием трещин (ударные
нагрузки при перегрузках;
* Кавитация;
* Коррозия
* Ошибки, допущенные при сборке и пр.
В рассматриваемом подшипнике:
• Возможность задиров по всей поверхности практически исклю-
чается, так как попадающие с маслом твердые включения легко
вдавливаются в мягкий слой канавок и в них локализуются;
• Канавочная структура и наличие никелевых дамб ограничивает
распространение аварийного износа вдоль оси (поперек кана-
вок);
• Сплавы подшипника обладают значительно большей коррози-
онной стойкостью.
При эксплуатации состояние подшипников легко оценивать чисто
визуально без применения измерительных средств. Так, если соотно-
шение площадей превышает 50% /50%, такой подшипник в ближайший
срок его освидетельствования потребует замены. Появление трещин и
109
выкрашивание отдельных канавок,если они не захватывают больших
площадей, то не являются критичными.
Преимущества подшипника канавочного типа перед трехслойны-
ми наглядно иллюстрируются ниже представленным рис. 7-7.
Износ, 60 т------------------------------------j
мкм _
50 — - - ~
«йт|е1сл;оиныич ^^Я9ЯЛ
40
30
20
Q - " ' | ' ! т—". .I
0 25 100 200 300 400
время работы, %
Рис. 7-7. Сравнение износостойкости подшипников.
ПО
7.2. Двигатели МАК — Катерпиллар Моторен GmbH
Среднеоборотные, четырехтактные двигатели, известные под
маркой МАК, ранее выпускались известным немецким концерном
«Крупп- МАК GmbH», в 1997г акции группы «МАК — Motoren» при-
обрела компания «Катерпиллар» и двигатели выпускаются ее подраз-
делением «Caterpillar-Motoren GmbH». Мощностной ряд двигателей
охватывает 1000 — 16200 кВт. Все двигатели с турбонаддувом и могут
работать как на дизельных сортах топлив типа MDO, так и на тяжелых
с вязкостью до 700сСт. На судах применяются в качестве главных
с приводом гребного винта через реверс-редукторы и для привода
генераторов судовых электростанций. На российском рынке фирма
появилась 10 лет тому назад, за это время заключены контракты и
осуществляются поставки 50 судовых двигателей.
Двигатели имеют высокие показатели надежности и моторесур-
са. Об этом свидетельствуют ниже приведенные данные по ресурсу
двигателей М32.
Компонент Время между переборками х 1000 час. Срок службы х 1000 час
Головка поршня 30 90
Поршневые кольца - 30
Втулка - 60
Крышка цилиндра 15 -
Впускной клапан 15 30
Выпускной клапан 15 30
Распылитель - 8
Плунжерная пара - 15
Рамовый подшипник - 30
Мотылевый подшипник - 30
Приведенные нормы действительны при условии соблюдения
рекомендаций фирмы по условиям использования и технического
обслуживания двигателей. На основе отмеченных норм были прове-
дены расчеты расходов на запасные части на протяжении 10 летней
эксплуатации двигателей М32. Усредененный ежегодный расход по
данным 1999 года, отнесенный к 1000 кВт.ч, составил 1,73 Немецких
марок.
111
Двигатели МАК М20 — (рис. 7-8)
Технические данные двигателя М 20
Параметры Размерность Величина
Диаметр цилиндра мм 200
Ход поршня мм 300
Мощность цилиндра кВт 170/190
Число оборотов об/мин 900/1000
Ср. эффективное давление бар 24,1/24,2
Давление наддува, ата бар 3,25
Давление сжатия бар 145
Степень сжатия — 13,6
Макс. Давление цикла бар 180
Темп. вып. газов за цилиндрами °C 420/450
Уд. расход топлива г/кВт.час 186/190
Уд. расход масла г/кВт.час 0,6 +/- 0,3
Количество цилиндров — 6,8,9 в рядном исполнении.
С машины этого ряда начиная с 1992 года фирма перешла на длин-
ноходные двигатели с S/D = 1,4-1,5.
Остов двигателя представляет собой монолитный, чугунный, су-
хой 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 пере-
ходит в крышку, а часть воды (до крышки) отбирается на охлаждение
ГТК. В последней модификации турбокомпрессор не охлаждается,
что исключает возможность коррозии его корпуса.
Втулка цилиндра, в ее верхнюю часть устанавливается антипо-
лировочное кольцо, поверхность втулки азотирована, срок служ-
бы — 60 тыс. часов.
Коленчатый вал цельнокованый, подвесной.
Распределительный вал составной и состоит из секций по числу
цилиндров, что существенно упрощает его демонтаж и замену отде-
льных секций.
Поршень охлаждаемый, составной — головка стальная, юбка алю-
миниевая (рис. 7-9). В головке располагаются два компрессионных и
одно маслосъемное кольца
112
Рис. 7-8. Поперечный разрез двигателя МАК М20.
Канавка первого кольца для повышения износостойкости упроч-
нена. На рабочую поверхность кольца нанесена противоизносная
наплавка. Срок службы колец достигает 30 тыс. часов.
113
3 = 270 °C
4= 150 °C
5^ 140 °C
ба 150 °C
I
Рис. 7-9. Камера сгорания
двигателя МАК М20.
Шатун стальной, круглого сечения, нижняя головка с косым разъ-
емом. Вкладыши мотылевых и рамовых подшипников тонкостенные,
двух- или трехслойные (рис. 7-10), применяются также подшипники
канавочного типа (подробное описание дано на стр 109, рис. 7-6).
В целях облегчения приработки подшипников и защиты шеек вала от
задиров, которые могут возникать от возможных несоосностей при его
укладке, а также небольших деформаций вала и фундаментной рамы
при работе фирма прибегает к электролитическому покрытию вкла-
дышей мягким цинком или оловом, толщиной несколько тысячных
миллиметра. Срок службы подшипников — 30 тыс. часов.
Топливная аппаратура. Форсунки многодырчатые, охлаждае-
мые маслом, отбираемым из общей системы смазки. Срок службы
распылителей составляет 8 тыс. часов. ТНВД золотникового типа
Бош, с регулированием по концу подачи. Привод плунжера ТНВД
осуществляется через рычаг с роликом (см. рис. 7-11), сидящим на
оси с эксцентриком, поворот которой механически связан с тягой
управления подачей топлива. Поворот эксцентриковой оси вызывает
продольное перемещение ролика рычага относительно топливного
кулачка. Перемещение в навстречу вращения кулачка приводит к
более раннему началу подачи топлива, перемещение в противополож-
ную сторону — вызывает более позднее начало подачи. Аналогичное
устройство для изменения угла опережения впрыска применяется
также фирмой МАИ в двигателях 58/64. Его использование позволяет
менять Pz в пределах 15 бар.
Турбонаддув ранее был организован по импульсной схеме^, в
двигателях нового поколения фирма перешла на наддув при P=const.
114
Структура
трехслойного
подшипника
ьырхнии ан । мфр си юй
Pt»SmCu
ar Susb? 0.03-0315
ТОПГЦМ) l.~i
НК IIHJIHIIIH
nOpnxnrillMlA спой
Nlchel 0.002 - 0.003
стольная оа ioo а
St>al СЮ 4.10
Соипцооистая epoi юо
G-CuPh22Sn 0.7 - i,1

антифрмкн слой (Sn-Pb) ,.. 7S4,
Структура подишпник» г .........'-----
канавонного типа |
Aj подщ,спл*в zs->-
«₽0M«wT.Ni слой
< IW»s>34!
Рис. 7-10. Структура подшипников двигателей МАК.
Давление наддува на режиме полной мощности составляет 3,25 бар,
температура воздуха за воздухоохладителем 45°С.
Двигатели МАК М32С
Этот модельный ряд двигателей появился в 2000 г. в итоге модер-
низации двигателя М32, созданного в 1994 г.
Выпускается в 6-8 и 9 цилиндровом исполнении (рядные) и с 12,
16 цилиндрами V- образные. Цилиндровая мощность — 480-500 кВт
при 720-750 об/мин, Ре = 24,9-23,7 бар, Рмакс=190 бар. Обращает на
себя внимание высокий уровень форсировки двигателя — Ре близко
к 25 бар, максимальное давление сгорания находится на верхнем для
данного класса двигателей. Следует ожидать, что и температуры цикла
также достигают весьма высоких значений.
115
ЭЛЛ
оф
Рис. 7-11. Регулируемый привод плунжера ТНВД и клапанов.
По конструкции двигатель во многом идентичен ранее рассмот-
ренной модели. Значительное внимание при модернизации двигателя
было уделено упрощению технического обслуживания за счет интег-
рирования отдельных элементов в модули. Для исключения внешних
трубопроводов значительная их часть была размещена в блоке ци-
линдров. Штуцерные соединения заменены на легко демонтируемые
соединения типа Plug-in (папа-мама). Отмеченные конструктивные
изменения позволили существенно упростить и сократить операции
по техническому обслуживанию и ремонту двигателей. Об этом на-
глядно свидетельствуют данные таблицы.
Двигатели МАК М43
Двигатели этого модельного ряда выпускаются в 6-18 цилин-
дровом исполнении и покрывают диапазон мощностей от 5400 до
16200 кВт.
Создавались они в основном для использования на скоростных
контейнерных судах, Ро-Ро и паромах для механического привода
гребных винтов и в составе дизель-электрических установок. Попе-
речный разрез двигателя — см. рис. 7-12.
116
Время, необходимое на замену основных компонентов двигателя М32.
Наименование операции Кол.лю- дей Необх. время
КРЫШКА ЦИЛИНДРА Снятие 1 30 мин
Установка 1 30 мин
Замена 1 1ч. 15 мин
ПОРШЕНЬ Снятие или установка 1 30 мин
Замена 1 1 ч.
ВТУЛКА ЦИЛИНДРА Снятие 1 30 мин
Установка 1 30 мин
Замена 1 1 ч.
РАМОВЫЙ ПОДШИПНИК Замена 2 1 ч.
МОТЫЛЕВЫЙ ПОДШИПНИК Замена 2 1 ч.ЗО мин
ФОРСУНКА Замена 1 30 мин
ТНВД Замена (снятие,ремонт и установка) 1 1 ч.
ВПУСКНОЙ И ВЫХЛОПНОЙ КЛАПАНЫ Замена 1 Зч.
Технические данные двигателя М43
По своему конструктивному исполнению двигатель подобен ранее
выпускавшимся фирмой двигателям МАК20, МАК32 и создавался с
использованием опыта их производства и эксплуатации.
К конструктивным особенностям двигателя относится использо-
вание шатуна с разъемом стержня с верхней головкой (см. рис. 7-13),
что позволяет уменьшить монтажную высоту и упростить операции
по демонтажу поршня и мотылевого подшипника. Для производства
последней операции нет необходимости в демонтаже крышки цилин-
дра и выемке поршня из цилиндра. Кормовой рамовый подшипник в
целях его усиления и упрощения монтажа изготавливается из двух
частей (см. рис. 7-14). Турбонаддув организован по импульсной схеме,
турбокомпрессоры имеют неохлаждаемый корпус, в них применены
подшипники скольжения со смазкой от общей системы циркуляцион-
ной смазки. Монтаж двигателей на судовом фундаменте осуществля-
ется с использованием патентованных антивибраторов, (рис. 7-15),
117
Рис. 7-12. Двигатель МАК М43.
Параметры Размерность Величина
Диаметр цилиндра, D Мм 430
Ход поршня, S мм 610
Мощность цилиндра, Ne кВт 900
Скорость вращения,п об/ мин 500/514
Ср.эффективное давление, Ре бар 24,4/23,7
Давление наддува, Рк бар 2,7
Степень сжатия 13,6
обеспечивающих демпфирование возникающих при работе двигателя
вибраций и структурного шума.
Эмиссия NOx в выхлопных газах составляет 12г/ кВт.ч, что лежит
ниже предела IMO.
Рис. 7-13. Шатун двигателя МАК М43.
119
Рис. 7-14..Сдвоенный рамовый>подшиппик.
Рис. 7 15. Эластичный антивибратор для крепления двигателя
к судовому фундаменту
120
8. ДВИГАТЕЛИ ФИРМЫ
«МАН-Б И В»
Программа фирмы ориентируется на разработку и производство
четырехтактных двигателей исходя из их применения на судах в
качестве дизель-генераторов (завод в Holeby -Дания) и главных для
привода гребного винта (конструкторский центр в Аугсбурге -Герма-
ния и завод в Frederikshavn — Дания).
п об/мин семейство двигателя
1000 L21/31 I I
800-900 L23/30A V23/30A □ 0
800 L27/38
775 L28/32A V28/32A □□
720-750 L32/40 V32/40 I I I
-
500-600 L40/54 V40/50 I j L2 I
-
500-514 L48/60B V48/60B г 1 I |

400-428 L58/64 I j
0 1
действительно до середины 2003 г. 1 1 5 000 1 10 000 I 15 000 1 20 000 1 25 000
мощность, кВт
Рис. 8-1. Модельные ряды 4-х тактных двигателей MAN&BW.
121
8. гатели L21/31 (рис. 8-2)
Двигатели этого семейства входят в модельный ряд двигателей
нового поколения, включающий также последние разработки фирмы
по машинам L 16\24 и L27\38, идентичные по уровню форсировки и
конструктивному исполнению.
Они создавались на основе накопленного опыта эксплуатации
дизелей ранних выпусков. Основные задачи разработки состояли в
упрощении операций по эксплуатации и техническому обслужива-
нию, достижению высокой экономичности и возможности работы
на низкокачественных тяжелых топливах. Фирма утверждает, что
ресурс двигателей между переборками составляет 20-25 тыс. ча-
сов. Для двигателей рассматриваемого класса эти цифры являются
весьма высокими. Малые вибрации, низкие уровни шума и эмиссии
выхлопа являлись также не менее важными задачами. Двигатели
предназначены для использования в качестве судовых главных и
вспомогательных.
Технические данные двигателя 21/31
Параметры размерность величина
Диаметр цилиндра мм 210
Ход поршня мм 310
Скорость вращения об/мин 900/1000
Мощность цилиндра кВт 215
Ср. эффект, давление бар 24,8/24,0
Максим, давл. сгорания бар 200-210
Степень сжатия - 15,5
Число цилиндров рядное расположение 5, 6, 7, 8,9
Конструкция
В конструкцию двигателей заложен принцип интегрирования
отдельных компонентов в модули с целью сокращения числа конс-
труктивных элементов и, тем-самым сокращения затрат времени на
сборку, техническое обслуживание и ремонт. Новым является наличие
фронтальной литой коробки, в которой располагаются обслужива-
ющие двигатель вспомогательные агрегаты (насосы, охладители,
терморегулирующие клапаны и пр.)
Фундаментная рама при генераторном исполнении единая.
Одновременно исполняет функции масляного поддона. К судовому
фундаменту крепится посредством эластичных антивибраторов.
Блок-станина представляет собой литой моноблок. Учитывая, что
блок-станина отлита из чугуна, все ее компоненты с помощью анкер-
ных связей и поперечных шпилек находятся в предварительно сжатом
состоянии и при передаче усилий от крышек цилиндров к коленчатому
валу испытывают исключительно напряжения сжатия, что благопри-
ятно сказывается на прочности. Здесь полезно напомнить, что чугун
отлично работает на сжатие, но обладает малой прочностью под дейс-
твием растягивающих напряжений. Рамовые подшипники подвесного
коленчатого вала имеют мощную поддержку в виде анкерных связей,
верхний конец которых закреплен в мощной промежуточной полке
станины. Крышки подшипников размещаются в вертикальных на-
правляющих станины и удерживаются гидравлически затягиваемыми
шпильками. Вкладыши подшипников трехслойные.
123
Втулка цилиндра отлита центробежным способом из специального
чугуна, вставляется в отверстие в станине и опирается на нее низко-
расположенным фланцем. Благодаря этому верхня-д охлаждаемая
часть втулки находится над станиной, полость охлаждения образуется
между этой частью втулки и рубашкой, выполненной,в виде кольце-
вого образования в нижней части крышки цилиндра. Насть втулки,
расположенная ниже опорного фланца, не охлаждается й это позволяет
поддерживать в ней достаточно высокие температуры и, тем самым,
избежать низкотемпературной коррозии.
Отсутствие воды в станине исключает возможность обводнения
масла при протечках. Для снижения заполировывания рабочей
поверхности втулки и расхода масла в верхнюю часть втулки уста-
навливается антиполировочное кольцо. Уплотнение сопрягаемых
поверхностей втулки и крышки обеспечивается через промежуточное
чугунное кольцо.
Крышка цилиндра отлита из чугуна совместно с интегрированной
с ней частью ресивера наддувочного воздуха. Огневое днище толстое
и выдерживает высокие механические нагрузки (максимальное дав-
ление сгорания в двигателе достигает 180 бар), но для исключения
появления в нем высоких температурных напряжений его охлаждение
осуществляется по расположенным в нем каналам. В крышке устанав-
ливаются 2 впускных и два выпускных клапана. Крепится крышка к
станине четырьмя шпильками.
Топливовпрыскивающая аппаратура включает топливный насос
золотникового типа с регулировкой по концу подачи и форсунку мно-
годырчатую, неохлаждаемую. Топливные трубки высокого давления
одеты в защитный кожух, исключающий проникновение протечек топ-
лива за пределы кожуха. Протечки могут возникать как при ослаблении
штуцерных соединений форсуночной трубки, так и при ее разрыве,
что особенно опасно, так как струи топлива и образующийся туман из
частиц топлива могут попасть на горячие детали и воспламениться. К
сожалению, подобные случаи пожаров бывали неоднократно.
Регулятор гидро-механический или электронный с гидравличес-
ким серво-мотором.
Клапаны изготовлены из термо- и коррозионно-стойкой стали,на
тарелках и седлах имеется наплавка. Для предотвращения образо-
вания 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.
Таблица 8-1
комплект поршневых колец
канавка
форма
компр. кольцо
хромированное, внешняя
поверхность
бочкообразной формы
компр.кольцо
хромированное,
коническое; внутри
ступенчатьй вырез
маслосъемное кольцо
хромированное.
подпружиненное
Примечание:здесь приведен вариант наличия трехуплотнитель-
ных колец, используемый в машинах больших размерностей.
Внутри головки теплоотдача реализуется методом взбалтывания,
возникающего при перемене ускорений при движении поршня. Отвод
масла из головки осуществляется через специальное сверление в
картер. Поршень снабжается двумя компрессионными и одним мас-
лосъемным кольцом. Компрессионные кольца имеют бочкообразную
форму и хромовое покрытие рабочих поверхностей, обеспечивающие
отличное уплотнение при минимальном износе.
Шатун стальной, кованый, круглого сечения с нижней головкой
морского типа. Наличие морской головки позволило увеличить
диаметр мотылевой шейки и этим существенно снизить удельные
давления в подшипнике. Это же позволяет не прибегая к разборке
подшипника вынимать шатун совместно с поршнем и втулкой ци-
линдра.Вкладыши трехслойные с приработочным покрытием. Новым
является использование трехслойной втулки головного подшипника
взамен традиционно применявшейся втулки из свинцовистой бронзы.
Канализация масла в шатуне традиционная.
Система турбонаддува постоянного давления с промежуточным
двухступенчатым воздухоохладителем трубчатого типа. Охлажда-
ющая вода высокотемпературного контура проходит через первую
125
ступень, а вода низкотемпературного контура поступает во вторую
ступень. Наличие двух ступеней позволяет обеспечивать охлаждение
воздуха при работе двигателя на высоких нагрузках и нагревать воздух
при переходе на малые нагрузки
В систему воздухоснабжения двигателя в целях ускорения реакции
ГТК на изменение режима работы двигателя включен Лямбда — Регу-
лятор, описание и принцип работы которого приведены на стр.
Схема системы охлаждения двигателя представлена на рис 8-3.
В систему воздухоснабжения двигателя в целях ускорения реак-
ции ГТК на изменение режима работы двигателя включен Лямбда-
Регулятор, описание и принцип работы которого приведены на стр.
Схема системы охлаждения двигателя представлена на рис 8-3.
4U грш.0
Рис. 8-3. Схема системы охлаждения двигателя L16/24.
80град.С
126
8.2 Двигатели L 28/32 А-Н
Этот ряд двигателей предназначен для использования в качестве
главных (775 об/мин) для привода гребного винта через редукторную
передачу и вспомогательных.
Технические данные
Параметры размерность величина
Мощность цилиндра кВт 175/185/220
Скорость Об/мин 720/750/775
Диаметр цилиндра мм 280
Ход поршня мм 320
Степень сжатия - 13,3
Макс, давление сгорания бар 130/145
Среднее эфф. давление бар 17,9/19,3
Уд. расход топлива г/кВт.час 188/190
Число цилиндров Рядное испол- нение 5,6,7,8,9
Особенности конструкции (рис. 8-4)
Фундаментная рама стальная сварная. Блок цилиндров и ста-
нина представляют монолитную отливку.
Коленчатый вал подвешен на крышках рамовых подшипников,
закрепляемых шпильками с гидравлическим затягом. Фиксация
шпилек осуществляется вворачиваемыми в станину горизонталь-
ными болтами. Наличие этих болтов усиливает поперечную жест-
кость этого узла и одновременно служит дополнительной подвеской
крышек подшипников.
Втулки цилиндров отлиты из мелко-зернистого перлитного
чугуна, рабочая поверхность хонингована в целях облегчения
приработки и улучшения удержания масла на поверхности. Ох-
лаждение втулок осуществляется традиционно водой, цирку-
лирующей в зарубашечном пространстве блока. Уплотнение от
протечек осуществляется резиновыми кольцами. Направляющий
пояс блока снабжен сменным противоизносным кольцом. Втулка
толстостенная, что обеспечивает высокую жесткость и уменьшает
возможные деформации, приводящие к нарушению концентрич-
ности внутренней окружности.
127
Рис. 8-4. Поперечный разрез
двигателя МАН 28/32 Н.
Крышки цилиндров чугунные, литые. Снабжены 4 взаимозаменяе-
мыми впускными и выпускными клапанами, форсункой, предохрани-
тельным и индикаторным клапанами. Огневое днище толстостенное
с канальным охлаждением. Распределительный вал составной и
расположен в верхней части фундаментной рамы. Привод вала осу-
ществляется через шестеренчатый механизм, в котором предусмотрена
возможность разворачивания ведомой шестерни относительно вала
(см. рис. 8-5).
Рис. 8-5. Регулируемый шестеренный
привод.распрсделительного вала.
128
Это позволяет менять угол опережения впрыска и, тем самым,
воздействовать на максимальное давление в цилиндрах. Изменение
Pz в отдельных цилиндрах может быть достигнуто путем введения
или удаления прокладок под роликовым приводом ТНВД.
Поршни моноблочной конструкции, тонкостенные, что обеспечи-
вает малые инерционные силы. Охлаждение поршня осуществляется
маслом, подаваемым по шатуну. Интенсификация передачи тепла
достигается взбалтыванием масла в головке (шейкерный или коктей-
льный эффект) при движении поршня. Передача сил давления газов
от головки к бобышкам поршня осуществляется напрямую, минуя
юбку — рис. 8-6. Такое решение исключает деформацию юбки и поз-
воляет уменьшить зазор между ней и втулкой, что уменьшает перека-
шивание поршня во втулке, уменьшает прорыв газов и способствует
уменьшению расхода масла. Зона расположения поршневых колец
также разгружена от действия сил давления газов, что устраняет де-
формацию кепов и вызываемое этим заклинивание поршневых колец.
Верхняя боковая поверхность головки проточена с учетом того, что
во втулку цилиндра устанавливается антиполировочное кольцо. На
поршне устанавливаются 3 компрессионных и одно маслосъемное
кольцо. Рабочая поверхность компрессионных колец имеет бочкооб-
разную форму (см. таблица 8-1) и хромирована.
Шатун стальной литой, двутаврового сечения. Нижняя головка
с косым разъемом для обеспечения выема шатуна через втулку ци-
линдра. Поверхность разъема зубчатая для исключения смещения в
плоскости разъема и возникновения в четырех скрепляющих болтах
напряжений среза. Вкладыши подшипника трехслойные. Подшип-
Рис. 8-6. Поршень двигателя МАН
L28.
129
ник верхней головки стальной, с запрессованной в него бронзовой
втулкой.
Турбонаддув осуществляется на основе постоянного давления
газов в коллекторе. Корпус турбины не охлаждается, что исключает
его коррозию. Подшипники скольжения располагаются между кор-
пусами турбины и компрессора. Для разгона турбины на переходных
режимах применяется подача сжатого воздуха на колесо компрессора.
Описание этой системы (Лямбда-контроллер) было дано ранее.
Топливовпрыскивающая аппаратура спроектирована с учетом
работы двигателя на тяжелых топливах с вязкостью до 700 сСт.
Топливный насос высокого давления (ТНВД) золотникового типа
с регулировкой по началу и концу подачи. В насосе вокруг втулки
плунжера имеется камера низкого давления, через которую осу-
ществляется непрерывная циркуляция горячего топлива в целях не
допустить охлаждения насоса при остановках двигателя и исключить
ухудшение наполнения насоса топливом при последующем пуске. Кро-
ме того, циркуляция предотвращает газификацию топлива в полостях
насоса и позволяет поддерживать постоянный температурный режим.
Нижняя часть насоса и плунжерной пары смазывается и уплотняется
маслом, поступающим из системы смазки двигателя. Форсунка мно-
годырчатая, охлаждаемая дизельным топливом или термомаслом.
Новым решением является использование вставной, заменяемой
втулки, которая, в свою очередь, вставляется в крышку цилиндра (см.
рис. 8-7). Это обеспечивает лучшее охлаждение корпуса форсунки
и плотность ее посадки. Посадочная поверхность под форсунку во
вставной втулке после ее запрессовки в крышку дополнительно обра-
батывается специальной конической разверткой. Подобная практика
Рис. 8-7. Размещение форсунки в крышке цилиндра.
130
хорошо зарекомендовала себя в двигателях Катерпиллар. При появ-
лении пропуска газов рекомендуется втулку заменить.
Пуск и остановка двигателя осуществляются на тяжелом топливе,
и не рекомендуется переходить на дизельные топлива из-за опасности
проявления несовместимости при неизбежном в этих случаях смеши-
вании тяжелого и легкого топлива..
8.3 Двигатели 32/40, L40/54, L/V48/60, L58/64
Это семейство двигателей предназначено для использования в
качестве главных судовых и охватывает диапазон мощностей от 4200
до 19000 кВт. Двигатели с турбонаддувом при P=const. и работают на
тяжелых топливах с вязкостью до 700 сСт.
Технические данные
Конструкция (рис.8-8). В рассматриваемом семействе двигателей
используются практически одинаковые конструктивные решения.
Остов двигателя представляет собой моноблок, объединяющий ста-
нину и блок цилиндров. От растягивающих нагрузок и деформаций он
освобожден благодаря наличию анкерных связей и длинных шпилек
крепления крышек цилиндров. Последние крепятся гайками под мощ-
ной промежуточной полкой остова. Преимущество длинных шпилек
заключается еще в том, что при снятии крышки шпильки могут быть
опущены вниз и крышка демонтируется путем бокового смещения, тем
самым обеспечивая экономию в монтажной высоте.над двигателем.
Хорошая сопротивляемость деформации остова достигается комби-
нацией анкерных связей и поперечных болтов в зоне расположения
крышек рамовых подшипников.
Тип двигателя 32/40 40/54 48/60 58/64
Мощность цилиндра, кВт 480 720 1050 1390
Диаметр цилиндра,мм 320 400 480 580
Ход поршня, мм 400 540 600 640
Скорость, 1/мин 720/750 550/514 514/500 428/400
Ср. скорость поршня м/с 9,6/10,0 9,9/9,25 10,3/10 9,1/8,5
Ср. эффективное давле- ние, бар 24,9/23,9 23,2/24,8 22,6/23,2 23,0/23,0
Уд. расход топлива г/кВт.час - 181 180 176
131
Рис. 8-8. Поперечные разрезы двигателей МАН.
L 40/54
Крышки подшипников могут быть опущены путем отдачи гаек
анкерных связей. Возможность подтягивания или отпускания гаек
связей может использоваться при регулировке линии вала.
Втулки цилиндров устанавливаются на высокие рубашки, нахо-
дящиеся сверху блока. Охлаждение втулок происходит только в зоне
рубашек, нижняя их часть не охлаждается. Наличие индивидуальных
рубашек и толстые стенки втулок обеспечивают минимум деформа-
ции зеркала рабочего цилиндра, позволяя уменьшить зазоры между
поршнем и цилиндром. Толстостенная конструкция исключает виб-
рации втулки и ее кавитационное разрушение. Наиболее интенсивное
охлаждение осуществляется в верхней части втулки в зоне устанав-
ливаемого на нее огневого кольца (см.рис. 8-9). Смазка цилиндров
осуществляется от лубрикаторов по сверлениям, их выход рабочую
поверхность находится, примерно, в зоне, расположенной между 1 и
2 компрессионными кольцами при положении поршня в НМТ. Отде-
льная смазка цилиндров диктуется стремлением уменьшить износ
ЦПГ, провоцируемый сгоранием в них тяжелых топлив.
132
Рис. 8-9. Втулка цилиндра.
Шатун имеет разъем в верхней части стержня, что уменьшает
монтажную высоту двигателя, а,главное, позволяет вынимать пор-
шень не разбирая нижнюю головку шатуна и, тем самым, исключая
возможность повреждения подшипников вследствие их последующей
неправильной сборки, что, к сожалению случается довольно часто.
Крышка цилиндра выполнена с двойным днищем — тонкое огневое
днище для снижения температурных напряжений и выше расположен-
ное толстое для снижения механических нагрузок под действием высо-
кого давления газов. Выхлопные и впускные клапаны двигателей 58/64
располагаются в охлаждаемых корпусах, в двигателях 40/54 и 48/60 в
охлаждаемом корпусе находятся только выхлопные клапаны. Выхлоп-
ные клапаны для их проворачивания снабжены пропеллерами.
Поршень составной, головка из кованой стали, юбка кованая
алюминиевая. Охлаждение головки осуществляется маслом, пос-
тупающим по стержню шатуна в верхнюю головку, а оттуда через
подпружиненный грибок (см. рис. 8-10) в охлаждаемое пространство
поршня. Ступенчатый поршень в сочетании с огневым поясом втулки
способствует предотвращению накопления продуктов сгорания и
нагаров в зоне головки, исключению образования на зеркале втулки
пятен засветления (зеркальный блеск), уменьшению износов и сни-
жению расхода масла.
133
Рис. 8-10. Крышка цилиндра, поршень и выхлопной клапан в
корпусе.
Топливовпрыскивающая аппаратура подобна ранее рассмотреной
в двигателе L28. Отличия заключаются в том, что внесены изменения
в профиль регулирующих кромок плунжерной пары (см. рис. 8-11).
Регулировка подачи осуществляется также как по началу подачи,
так и по концу, но благодаря увеличению наклона верхней кромки и
уменьшению наклона нижней количество впрыскиваемого топлива в
основном меняется за счет более резкого изменения угла опережения.
Главное же заключается в том, что при уменьшении подачи от полной
активный ход плунжера перемещается в зону более крутого профиля
Рис. 8-11. Изменение регулирующих кромок плунжера и его
влияние на экономичность.
старые вариант
плунжера
новый вариант
плунжера
Удельный расход топлива
ДЬе (g/kWh]
7.51
ууууу Г* I I M<w,oc,b
60 70 80 90 100 Р(%]
134
Разница а
индексе
дымности
[%]
20 .--------г-
1 о _
о 4——। .............|~
О 10 20
Нагрузка [%]
Рис. 8-12. Модернизация
распылителя форсунки двигателя
MAH L58/64.
топливного кулачка. Это приводит к интенсификации подачи топли-
ва, характеризующейся ростом скорости подачи и давлений впрыска.
Результат — двигатель переходит на более высокие давления сгорания
и, как следствие, — на более экономичную работу (см. рис. 8-11)
В распылителе форсунки существенно уменьшена камера под
конусом иглы (перед сопловыми отверстиями), наличие которой от-
рицательно отражалось на распыле в начальной стадии и подтекании
топлива в конце. После ликвидации камеры дымность выхлопа на
нагрузке в 10% уменьшилась на 10%, а на холостом ходу уменьшение
составило 18%. (см. рис. 8-12).
В 2003 году начато производство модернизированного двигателя
48/60 В, его цилиндровая мощность доведена до 1200 кВт. Модерниза-
ции был подвергнут прежде всего рабочий процесс.
С целью снижения температур сгорания для уменьшения образо-
вания NOx был использован «Мюллер-процесс».Этот процесс осно-
вывается на более раннем закрытии впускных клапанов. В его задачи
входило также снижение роста тепловых и механических нагрузок,
обычно резко увеличивающихся с повышением удельной мощности.
Этот метод также хорошо известен конструкторам двигателей как
средство снижения расходов топлива. Но в сравнении с нормальным
рабочим процессом Мюллер-процес требует применения более эф-
фективных газо-турбо нагнетателей, обеспечивающих более высокие
давления наддува. Иными словами, ухудшение наполнения цилиндров
воздухом в связи с более ранним закрытием впускных клапанов должно
135
компенсироваться увеличением заряда за счет роста давления наддува.
Выигрыш — уменьшение потерянного хода поршня и соответствующее
увеличение степени сжатия в цилиндрах. В итоге степень сжатия под-
нялась с 14,4 до 15,3, что увеличило максимальное давление в цилиндре
и повысило экономичность цикла.
В целях уменьшения образования сажи на выхлопе, что особенно
важно на долевых нагрузках, была интенсифицирована подача топлива,
увеличено максимальное давление впрыска с 1300 до 1600 бар. Но, к со-
жалению, при этом увеличиваются максимальные температуры цикла и
растет образование NOx. Снижение NOx было достигнуто уменьшением
угла опережения — переносом сгорания на линию расширения В то же
время, этот путь приводит к снижению Pz, повышает расход топлива
и увеличивает содержание твердых частиц (сажи) в выхлопных газах.
Видимо, конструкторы приняли компромиссное решение, при котором
расход топлива не только не увеличился, а был снижен на 7 г/кВт.час.
В результате всех описанных преобразований рабочий цикл прибли-
зился к циклу со сгоранием P=const. Однако, несмотря на это давление
цикла возросло до 200 бар., что, естественно, привело к необходимости
усилить ряд конструктивных элементов и использовать более прочные
материалы.
Совершенствование турбо-наддува шло по пути замены ГТК NA/S
на новый аксиальный ГТК серии ТСА, обладающий большей произ-
водительностью и степенью повышения давления, а также высоким
кпд (эффективностью) во всем рабочем диапазоне. Важно также, что у
этого ГТК зона помпажа удалена от рабочих режимов и обеспечивается
лучшая продувка цилиндров. Давление наддува на полной нагрузке
составляет 2,6 бар, удельный расход воздуха обеспечивается в 8,9 кг/
кВт.час, что для 4-х тактных двигателей этого класса представляется
весьма значительным.
136
(9) SO (11) 12 (14) >, s' ’ ' «. '<’<>' -l: (Q- — ;-,v 7.65 /138'9.38 10.11 HJ4' pitch 0.25 0.25 0.3 0.35 0.35 0.35 0.4 0.45 0.45 0.45 0.45 0.5 0.6 0.7 0.75 0.8 0.9 1 1 1.25 1.25 1.5 1.5 1.75 2 drill 0.75 0.95 1.1 1.25 1.3 1.45 1.6 1.75 1.9 2.05 2.1 2.5 2.9 3.3 3.7 4.2 4.6 5 6 6.7(817.7(8) 8.5 9.5 10.2 12 16 13.84 2 14 (18) 20 . "1 5: .'4 30 15.29 17.29 19.29 2.5 2.5 2.5 3 3 3.5 15.5 17.5 19.5 21 24 26.5 (») 29.21 3.5 29.5
thread 36 39 42 45 48 52 56 64 Cutting tools marked Rod diameters for (coarse) thread cutting innerd. 31.67 34.67 37.13 - 42.59 - 50.05 57.51 “M + outer diameter”; bore diameter for metric thread М3 M4 M5 Мб M8 M10 M12 M14 M16 M18 pitch 4 4 4.5 4.5 5 5 5.5 6 thread (fine and coarse) equal outer diameters 2.9 3.9 4.8 5.8 7.7 9.7 11.6 13.6 15.6 17.5(8) drill 32 35 37.5 40.5 43 47 50.5 58 thread number minus pitch (plus 0.1-:-0.15 mm)
Metric ISO (fine) screw thread, flank profile angle 60 degrees
thread 2x0.25 2.2x0.25 2.5x0.35 3x0.35 3.5x0.35 4x0.35 4x0.5 4.5x0.5 5x0.5 5x0.75 5.5x0.5 6x0.5 6x0.75 7x0.75 8x0.5 8x0.75 8x1 9x0.75 9x1 10x1.25 10x0.75 10x1 11x0.75 llxl innerd. - - - 2.62 - - 3.46 - 4.46 - . - - 5.19 - - 7.19 6.92 - 7.92 - 9.19 8.92 - 9.92 drill 1.75 1.95 2.15 2.65 3.15 3.65 3.5 4,0 4.5 4.2 5 5.5 5.2 6.2 7.5 7.2 7 8.2 8 8.8 9,2 9 10,2 10
thread 12x0.75 12x1 12x1.25 12x1.5 (13x1) 13x1.5 14x0.75 14x1 14x1.25 14x1.5 15x1 15x1.5 16x1 16x1.25 16x1.5 17x1 17x1.5 18x1 innerd. - 10.92 10.65 10.38 11.92 - - 12.92 12.65 12.38 13.92 - 14.92 - 14.38 - - 16.92 drill 11.2 11 10.7(8) 10.5 12 11.5 13.2 13 12.8 12.5 14 13.5 15 14.8 14.5 16 15.5 17 18x1 16.38 16.5 .5 18x2 20x1 20x1.5 20x2 22x1 22x1.5 - 18.92 18.38 - - 20.38 16 19 18.5 18 21 20.5
thread 22x2 (24x1) 24x1.5 24x2 25x1 25x1.5 25x2 26x1 26x2 27x1 27x1.5 27x2 28x1 28x2 30x1 32x1.5 33x1 33x1.5 33x2 34x1.5 35x1.5 36x1.5 36x3 inner d. - 22.92 22.38 - - 23.38 drill 20 22 215 22 24 23.5 23 25 24 26 25.5 25 27 26 29 30.5 32 31.5 31 32.5 33,5 34,5 33 38x1.5 39x1.5 39x2 39x3 36.5 37.5 37 36
thread 40x1.5 40x2 40x3 42x1.5 42x2 42x3 45x1.5 45x2 45x3 48x1.5 48x2 48x3 50x1.5 50x2 50x3 52x1.5 52x2 52x3 drill 38.5 38 37 40.5 40 39 43.5 43 42 46.5 46 45 48.5 48 47 50.5 50 49
Whitworth (coarse) screw thread, flank profile angle 55 degrees thread (l/16)(3/32) (1/8) (5/32) (3/16) (7/32) 1/4 5/16 3/8 (7/16) 1/2 (9/16) 5/8 3/4 7/8 1 11/8 11/4 (13/8) 11/2 13/4 2 2 1/4 2 1/2 2 3/4 3 outer d. - - 3.18 3.97 4.76 - 6.35 7.94 9.53 11.11 12.7 14.29 15.88 19.05 22.23 25.4 28.58 31.75 34.93 38.1 44.4 50.8 57.15 63.5 69.85 76.2 innerd. - - 2.36 2.95 3.41 - 4.72 6.13 7.49 8.79 9.99 11.58 12.92 15.8 18.61 21.33 23.93 27.1 29.5 32.68 37.94 43.5 V. S'- ' 91 pitc 60 40 48 32 24 24 20 18 16 14 12 12 11 10 9 8 7 7 6 6 5 4 1/2 4 4 3 Г2 3 1/2 drill 1.2 1.9 2.5(6) 3.2 3.6(9) 4.5 5.1(2)5.5(6)7.9(8.0) 9.2(4)10.5 12 13.5 16.5 19.2(5)22.0(5) 24.5(25)27.5(28)30.5(31)33.5(34)39.0(5) 44.0(5) 50(1)57.0(5)62(3)68(9) Cutting tools marked “W + thread size" or ”BSW + thread size”, or "BSF + thread size”: “BSW”-”British Standard Whitworth”.
Unified coarse inch screw thread (numbered) UNC 60. flank profile angle 60 degrees
thread number - pitch 1-64 2-56 3-48 4-40 5-40 6-32 8-32 10-24 12-24 Cutting tools marked outer diameter - - - 2.85 3.18 3.51 4.17 4.83 5.49 “ UNC + thread numbe + pitch ” or inner diameter. - nut - - - 2.16 2.49 2.65 3.31 3.68 4.34 “ NC + thread numbe + pitch “ inner diameter - screw ... 2.07 2.4 2.53 3.19 3.53 4.19 drill 1.5 1.8 2.0(1) 2.30(5) 2.60(5) 2.75(85) 3.5 3.8(9) 4.5
Uni id e inch screw thread (numbered) UNF 60. flank profile angle 60 degrees
thread number - pitch 1-72 2-64 3-56 4-48 5-44 6-40 8-36 10-32 12-28 Cutting tools marked “ UNF + thread numbe + pitch “ drill 1.5(6) 1.8(9) 2.1 2.4 2.7 2.9(3) 3.5 4.1 4.6(7) or “ NF + thread numbe + pitch ”
Inch thread NPSF (Drvseai American Standard intermediate internal straight pipe thread)
thread 1/16-27 1/8-27 1/4-18 3/8-18 1/2-14 3/4-14 1-11 1/2 drill 6.3 8,9 11,5 15 18.5 24 30
Remarks: all inch thread pitch dimension - number of threads per inch: all Whitworth threads have flank profile angle of 55 degrees:
SAE thread dimensions see next page table standard UNF 60.

Размеры труб
Таблица 2
INCH DIMENSION NOMINAL SIZE А OUTER DIAMETER OF PIPE STANDARD WALL THICKNESS OUTER DIAMETER OF CUTTED THREAD DIAMETER FOR THREADING
1/8 6A 10.5 2.0 9.7 9.4
1/4 8A 13.8 2.3 13.2 12.8
3/8 10A 17.3 2.3 16.7 17.3
1/2 15A 21.7 2.8 21 20.6
3/4 20A 27.2 2.8 26.4 26
1 25A 34 3.2 33.3 32.8
1 1/4 32A 42.7 3.5 41.9 41.4
1 1/2 40A 48.6 3.5 47.8 47.3
1 3/4 out of standard out of standard out of standard 52 can be 55, english - 54, 51.2 54.2 53.2
2 50A 60.5 3.8 59.6 59.0
2 1/2 65A 76.3 4.2 75.2 (76.2) 74.5 (74.7)
3 80A 89.1 4.2 87.9 (88.5) 87.2 (87.4)
3 1/2 90A 101.6 4.2 100.33 98.9
4 100A 114.3 4.5 113 111.6
5 125A 139.8 4.5 138.4 137.0
6 150A 165.2 5.0 163.8 162.4
БГИ - одна из первых круинговых компаний, возникших на постсовет-
ском пространстве в начале 90-х. Первые офисы были созданы в Таллине,
Петербурге. Характерной чертой политики, сохранившейся и сейчас,
является нацеленность на обеспечение работой прежде всего офицеров
российского флота. Несмотря на некоторую скованность россиян в много-
национальных экипажах, уровень их знания, умение находить грамотные
инженерные решения и выполнять их самостоятельно, позволили россий-
ским морякам занять свое место на судах мирового флота. Начиная с
работы в малоизвестных компаниях индив ально, вдвоем, по три
человека на судне, моря соз/. ли {. тонную тут дню не только себе,
но и БГИ, и сейчас наша круинговая компания является крупнейшей в
России. Именно несомненные достоинства роса' :ких инженеров -
механиков, судоводителей, трудолюбие матросов, тористов увеличили
спрос на наших специалистов. Это способствовало росту и мы открыли
офисы в Архангельске, Тбилиси, Находке, Новороссийске.
БГИ стала привлекательной для крупнейшего международного операто-
ра и в 1999 г., благоразумно избежав конкурентной борьбы, соединилась, с
V. Ships - компанией, основанной в двадцатых годах талантливым сыном
Одессы - предпринимателем А. Власовым. Сейчас, в период упадка
российского флота, БГ - работает с иностранными операторами, но и
сегодня прорабатываются вопросы работы на российском рынке судохо-
дства и обслуживания оффшорных комплексов. Компания активно
действует во всех регион х. Наша цель — не только дать работу людям
сейчас, но и адаптировать систему российского морского образования к
мировым стандартам, повысить конкурентность нашей системы подготов-
ки, поддерживать привлекательность морской профессии, способствовать
развитию российского судоходства. Мы признательны Автору за предостав-
ленную возможность рассказать о наших планах на странице книги —
одном из многих трудов, написанных И. В. Возницким за десятилетия
научной и преподавательской деятельности.
Учитесь всю жизнь! Это - интересно!
139
CATERPILLAR'
ВАШ ПРАВИЛЬНЫЙ ВЫБОР
МОРСКИЕ СИЛОВЫЕ ОСТАНОВКИ ДЛЯ ПИ THECA И ОГДЫХЛ
ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА:
Москва, 127006 ул.Краснопролетарская, 2/4, стр 13
Тел. +7 (095) 755 68 11
Факс. +7 (095) 785 56 86 машины,
+7 (095) 785 56 88 силовые установки
Владивосток, 690090
Океанский проспект, 15а, 3-й этаж
Тел. +7 (4232) 40 79 17/20/28/58
Факс. +7 (095) 4232 40 78 75
Алматы, 480091
ул. Толи-би, 69
Казахстан
Тел. (3272) 58 22 61/62/63
Факс. (3272) 58 22 64
140
"CATERPILLAR"
Компания Caterpillar является крупнейшим в мире производи-
телем судовых дизельных двигателей и дизель-генераторов. Вот уже
более 80-ти лет компания Caterpillar предлагает на мировом рынке
свою продукцию, непрерывно её совершенствуя. Начиная с 1937 года,
Caterpillar успешно занимается разработкой, производством, пос-
тавкой и послепродажным обслуживанием полной серии морских
двигателей.
Почему всё больше и больше специалистов по эксплуатации об-
ращаются к двигателям Caterpillar?
1. Потому что это надёжный двигатель, мощный, и экономичный.
2. Потому что это умный двигатель.
Почему двигатель Caterpillar надёжный?
Изначально двигатели Caterpillar изготавливались из расчета на
работу в тяжёлых условиях. Надёжность и прочность двигателя обес-
печивается изготовлением деталей двигателя с расчётом на большой
срок службы при максимальных нагрузках. Прочные блоки цилинд-
ров и другие высокопрочные отливки, большая площадь поверхности
подшипников и отличная возможность восстановления элементов
являются залогом высокой репутации CAT®. Новые материалы и
технологии сделали более прочными коленчатый вал, подшипники,
шатуны, поршни и клапаны. Увеличенная вместимость систем смазки
и охлаждения также обеспечивает большой срок службы при высокой
надёжности. Существующие модели совершенствуются и дорабаты-
ваются таким образом, чтобы использовать преимущества новейших
технологий и материалов и последней информации, извлечённой из
реального опыта эксплуатации. Кроме того, надёжность двигателя
обеспечивается программами заводских испытаний и контролем
качества. Качество и надежность судовых двигателей соответствуют
требованиям Российского Морского Регистра и подтверждёно ещё
десятью морскими классификационными обществами Мира.
Почему двигатель Caterpillar умный?
Начиная с 1992 года, Caterpillar выпускает судовые двигатели с
электронной системой управления. Инженерами компании создан
микропроцессор Cat ADEM, который постоянно регулирует подачу
топлива, отслеживает основные параметры двигателя, предупреждает
о неисправностях и решает диагностические задачи. Это позволяет
двигателю развивать большую мощность, быстрее запускаться, мак-
симально точно регулировать частоту вращения вала и экономить
топливо. Резервная мощность при работе на низкой частоте вращения
141
обеспечивает хорошее ускорение и быстрый прием дополнительной
нагрузки. Улучшается управляемость судном за счет таких возмож-
ностей, как режим холодного пуска, устойчивая работа на малом
ходу полное сгорание топлива на переходных режимах. Уменьшается
выброс вредных веществ в атмосферу, а дым практически полностью
отсутствует. Двигатели CAT с электронной системой управления так-
же выигрывают от значительно более совершенной системы защиты и
слежения. Сама стратегия защиты (техники безопасности) состоит в
том, чтобы предупредить оператора в случае, когда состояние двига-
теля приближается к критическому, или (по заказу клиента) автома-
тически сбрасывать обороты или останавливаться, если неизбежно
повреждение. Благодаря электронному блоку Cat ADEM двигатели
Caterpillar можно смело назвать Умными двигателями. При эксплу-
атации двигателей Caterpillar на судах судовому механику остаётся
только лишь грамотно выполнять инструкции по техническому об-
служиванию.
Вступив в XXI век, компания Caterpillar планирует постепенно и
грамотно обновить предлагаемый модельный ряд двигателей двига-
телями путем ввода в них систем электронного управления.
Предлагаемый мощностной ряд двигателей компании Caterpillar
на сегодняшний день самый широкий (от 11кВт до 16000кВт). В 1997
году корпорация Caterpillar приобрела компанию МаК и теперь пред-
лагает две марки судовых двигателей:
1. Двигатели марки Caterpillar:
• Главные двигатели мощностью от 93 до 7200 кВт;
• Дизель-генераторы мощностью от И до 5420 кВт;
2. Двигатели марки МаК: главные, дизель-генераторы в мощнос-
тном диапазоне от 1020 до 16000 кВт
Наиболее современными экономичными и экологичными явля-
ются судовые двигатели Семейства «С». Широкий мощностной ряд
Двигателей Caterpillar® новой серии С7, С9, С12, С15, С32, созданные с
применением инновационных технических решений ACERT (Advance
Combustion Emission Reduction Technology), разработка которх является
настоящим прорывом в сфере технологий, дает возможность исполь-
зовать их на судах различного применения. Caterpillar является пер-
вым разработчиком, предложившим экологически чистые дизельные
двигатели, которые соответствуют жестким стандартам Управления
охраны окружающей среды США 2004 года и вступившим в действие
в России Приложения VI Международной Конвенции MARPOL
73-78/ Технические решения ACERT позволяют снизить содержание
142
вредных веществ в отработавших газах. Двигатели Cat®, оснащенные
ACERT, соответствуют самым строгим стандартам по отработавшим
газам, причем без снижения показателей надежности, долговечности
и экономии топлива. ACERT является результатом инвестиций пя-
тисот миллионов долларов, направленных на создание комплексного
решения по усовершенствованию четырех основных систем двигате-
ля: топливоподачи, воздухоснабжнения и электронного управления.
Более подробно об ACERT в разделах, посвященных двигателям CAT
в главах 2,3,4 и 7.
Поставив двигатель покупателю, Caterpillar предлагает техничес-
кую и сервисную поддержку продукта с помощью свыше 1800 авто-
ризованных сервис-центров с обученными специалистами по всему
миру, что особенно важно в морском бизнесе. Только на территории
СНГ работает И официальных дилеров компании Caterpillar. Это 49
офисов от Санкт-Петербурга и Одессы до Южно-Сахалинска и Пет-
ропавловска-Камчатского с персоналом около 1000 человек.
Для того чтобы своевременно обеспечить Вас необходимыми за-
пчастями, мы имеем 70 стратегических дистрибьюторских центров в 24
странах на пяти континентах, которые незамедлительно обеспечивают
запчастями более чем 200 стран Мира.
Кроме того, важным моментом работы компании Caterpillar на
территории СНГ является наличие учебного центра Caterpillar при
Морской академии им. Макарова в Санкт-Петербурге. Преподавате-
ли - профессионалы проводят обучение судовых механиков особен-
ностям эксплуатации двигателей CAT.
Специалист по маркетингу судовых двигателей
ООО «Катерпиллар» В. В. Романов
143
ПРОДУКЦИЯ ИДШР
unitedj|£Lhinery
Распылители форсунок:
• Штифтовые форсунки (с одним отверстием);
• Распылители типов S-/P Size;
• Распылители типа Т-Size (LT, LFT, LLFT);
• Распылители типа U-Size (LU, LFU, LLDU);
• Специальные распылители
типа IHC;
• Распылители блочные
и из двух частей
(сопло отдельно);
• Охлаждаемые и неохлаждаемые
• Распылители со вставкой;
• Для одновременного использова-
ния двух видов/сортов топлива.
Плунжерные пары для ТНВД
Запчасти для ТНВД и форсунок
• С диаметром плунжера до 12 мм;
• С диаметром плунжера 12-20 мм;
• С диаметром плунжера
более 20 мм;
• Корпуса форсунок
и топливные клапаны.
Изготавливаем на заказ
компоненты специального
исполнения
Форсунки с удлиненным корпусом
для двигателей Caterpillar
• Форсунки серии CAT 7000
для двигателей серий 3200,3300
и 3400;
• Распылители форсунок для
двигателей серии 3600, опти-
мизированные для тяжелого
топлива;
• С форсуночной трубкой и без нее;
• Исполнение - черный корпус.
144
Проводится спектральный и металлургический анализ всех
используемых материалов, применяются только сертифи-
цированные материалы высшего качества от проверенных
поставщиков;
Тестируется каждая единица произведенной продукции;
Если применяется термообработка после сверления отверстий
‘ ические испытания производятся до
и после термообработки;
Применяются с > , ьные технрдогичю кие процессы
дт-^' 'у f “ ч к' р/ <иного качест ‘ *£ /книхв
внещних поверхностей и сопряжений поверхностей- элек-
троррозионное снерле11ие,:сверление» в оснолнкшщрохрдов
С. сбр„ ТиД.ЛН'-^ IK i ' ТЕ/ f >'< 1 7|C>> Я'ЛЛ’< ‘7^ “7-
работка (fiCM — Electro СпрПнеаЬОаШш
/'-шю - to- -ч-ч >. /v/.гт? яде а
станках-автоматах
яшрс ыы; -ч»- дт < -с. .кд гл;. реки дяд, д ; to-
метрию ПОВ« r z < 0‘ О, :: " ' Ш” м- z -
Технология термообработки раз] я для каждого
Ю '< дЖ: ЯД ' б; У -Дг Д / ПК О .LI
яс; i, г ,с <{ i'i &:а
.-р-ИЛД'ЛЛ; Д/Ш<?:ДПС<Д 'jr К t Й ОСОШЛК С КОЙс ' к Д.ЛД-
J СиЯь'Яс ч 'гЯ' 'Сл‘Я/3/ ,Ы LKt МО О С-< ч J.*;.’/z '4 ДО
сКчг-Ы' 1.' 'Гг Р^> , , К' t К ( r - ;;iO‘ze ' z Of-O-
-.CEp'fKu; >Г,ГД' 5'ДШ1. Ч- кчогряло- . / zlc д. й при
f>'hi £ ••ГС'< С -Д /«'. А" 7 К z - XЮ
'я1ИКОСТ1|г7Хс;РД;й£Г;Дсдйд7;7е«^Д£;£;;кос;д
.MoPsa-iz к -кл; ччр'Сг с- горю- {-/,^/',<.z -'-с пиауи-
' /с ч г с" - ; * ' <. -к л юж < о; лчсх _
х реагентов;
Т' ''i - а,,^1 / '' -с: ;с я,,<к *: с . г с. <' о4 ю-сд/’.бо-
;; 'я-- л-.. -ля ' с, 3^4 '‘Сс/ седz с/г-го c.^.l кл-
ршшсием вш-лг да:
ЙЫ /К"'-. ;.Ч; rp.'CjH.z-CO.-'.v.C- J, Т/,," О.р.', ^рс". ; р> -
i/' >.i‘A zl" /ЛШСК '7 v ’ус,. > 'i Л‘^ ; Д'гЛг >-ОТ Я
"< г 'Л.ЛЛ,? L С.ЯС О. О'-К" С • s z,/z ГД Ш Л-
111в^иут1;ж1ЯИ1111И1в1Ж1ЖедЖйШ1Г'й|й1|Ш .
ш
Проведение испытаний топливной аппаратуры:
• проводятся гидравлические испытания с давлением до
2000 бар;
• обеспечиваются ско - , ~ , '' < - н;
• осуществляется построение временных
лрогдасов впрнскари
. • проводится анал х
• осуществи яетс>ко11 трол к форивкоблак® paeiiwile
Управление качеством
: Обебйсч|Ни< качества - это ire тол1||1Я0|фп^^ раз-
витий лф ?И10Жд1Швйая настоятел ьная Дб|ф||11б|1|1И|||нйо поэтом у
отдёлжайесРйайа;йпма|тфф®1йРм прбий|ф1С1|ен0бжффк1|;к1юяевое
ВДлйЖёйжфгфбфвУейнбффбр^^
; ' Р С 1 -'• ; л / / ‘ 5 о '* ; л . -'--г г- " я >f
>' ‘.i л лрлд rt<
" " ' CO , - л; cl “*•? A ' ‘'Л’Д л; OB
и ит я x дви ra-
le " ' опием
< адз д ч орских
л г' /< tJ и си® «мл
С ИЯЧЛШ пУРЬК X 1 If П'ЧО'-ОМ
p я гщьшныя пасиХйш я и;
i'mtitV) ДЛЯ ЛЯЛЕЛЕЙ
Яти ® ^-о. -л: ,л;/ 11 л,-,. С 4'CJ "У ?5 Янф, ‘'лт л® i-cl
П-с а' ’Сллд, z - ! < - л t г>г ., , р/
- < л л:с , ‘ .. < < ‘ ; -л -ял', , •• идем
кол лекторе (СЯ-лСда топлийбвпрмСЖивается
н wilniyp# дй1'С1тШЖЯёр1УфбрсунЖ1й:ф11рйййМсйШёЯ1е11роникой
г И'С - Сн ал® Сл1П'оН/нэ
146
В системе впрыска может быть несколько ТНВД с общим приводом,
работающих в параллель (на двигателях большой мощности).
Преимущества систем с общим коллектором и ТНВД:
Расход топлива снижается на 1 - 3 %.
Снижается содержание вредных веществ в выхлопе до мини-
мально возможных величин (происходит некоторое увеличе-'
ние содержания окислов азота).
Впрыск топлива, а значит и рабочий процесс в цилиндре уп-
равляется электроникой, что позволяет осуществлять дина-
мическую регулировку параметров рабочего процесса.
Отсутствует влияние неравномерного износа отдельных ТНВД
на рабочие процессы в двигателе, контроль состояния ТНВД
упрощается, значительно снижается количество механичес-
ких приводов и систем управления (уменьшается количество
изнашивающихся частей и потребность в обслуживании).
Управляемый дроссельный клапан на всасывании ТНВД поз-
воляет оптимизировать работу насоса при изменении нагрузки
на двигатель.
Область применения: Системы впрыска с общим коллектором
используются на двухтактных и четырехтактных малооборотных,
среднеоборотных и высокооборотных двигателях, работающих на
дизельном и тяжелом топливе.
• в качестве систем воспламенения газа на газовых двигателях;
• для систем воспламенения в двигателях, работающих на двух
сортах жидкого топлива (одновременно);
• для впрыска рабочего топлива в цилиндры дизелей.
Системы впрыска с общим коллектором
и ТНВД ДУАРЕЙЛ (DUARAIL)
• Мы производим комплектные системы впрыска CommonRail
для OEM-производителей дизельных двигателей
• По Вашему заказу мы проведем модернизацию топливных
систем существующих двигателей
147
Возницкий Игорь Витальевич
СОВРЕМЕННЫЕ СУДОВЫЕ
СРЕДНЕОБОРОТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Подписано в печать 22.11.05 г.
Формат издания 29,7x42 '/<.
Печать офсетная. Заказ № 2160.
Отпечатано в типографии «КСИ».
Санкт-Петербург
e-mail: oooksi@ksi.spb.ru