Классификация дизельных двигателей

ЛЕКЦИЯ № 3

МДК.01.01. Основы эксплуатации, технического обслуживания и ремонта судового энергетического оборудования

(Судовые двигатели внутреннего сгорания)

Тема: Классификация дизельных двигателей внутреннего сгорания

Учебные вопросы:

Вступление

1. Классификация дизельных двигателей

Выводы, ответы на вопросы, задание на самостоятельную подготовку

СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ

Вступление

Классификация судовых дизельных двигателей внутреннего сгорания условна.

Классификация дизельных двигателей

Судовые дизельные двигатели, как правило, классифицируются по следующим функциональным и конструктивным признакам:

По назначению:

- главные – двигатели, которые предназначенные для осуществления движения и маневрирования судна (to drive a propulsion);

- вспомогательные – двигатели, которые предназначены для привода генераторов (to drive a generator) или компрессоров, насосов и т.п. (to power other devices such as a pump).

По способу осуществления рабочего цикла:

- четырехтактные – двигатели (4-stroke engines), в которых рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала);

- двухтактные – двигатели (2-stroke engines), в которых рабочий цикл осуществляется за два хода поршня (один оборот коленчатого вала).

По способу действия: (ISO 2710-78)

- простого действия – двигатель, в котором сгорание происходит только с одной стороны каждого рабочего поршня;

Рис. 1. Двигатели двойного действия и с противоположно двигающимися поршнями

- двойного действия – двигатель, в котором сгорание происходит то с одной, то с другой стороны рабочего поршня;

- с противоположно двигающимися поршнями – двухтактный двигатель, имеющий в каждом цилиндре по два механически связанных рабочих поршня, движущихся в противоположных направлениях, с находящимся между ними рабочим телом.

По способу наполнения рабочего цилиндра:

- без наддува – двигатели, в которых всасывание горючей смеси или воздуха осуществляется поршнем (четырехтактные) или когда цилиндр заполняется продувочным насосом воздухом низкого давления (двухтактные), незначительно превышающем атмосферное давление;

Рис. 2. Схема газотурбинного наддува двигателя

- с наддувом - двигатели, в которых воздух подается в цилиндр под избыточным давлением надувочным компрессором (нагнетателем) с механическим либо газотурбинным приводом.

По средней скорости поршня (степени быстроходности). (ГОСТ 4393-74)

- тихоходные – двигатели со средней скоростью поршня С_m = S·n/30(60) < 6,5 м/с.

- быстроходные – двигатели со средней скоростью поршня С_m = S·n/30(60) > 6,5 м/с.

По частоте вращения: (CIMAC-2004)

- малооборотные – двигатели с частотой вращения до примерно 250 об/мин;

- среднеоборотные - двигатели с частотой вращения от 250 до 1200…1300 об/мин;

- высокооборотные - двигатели с частотой вращения свыше 1300 об/мин.

По конструктивному исполнению кривошипно-шатунного механизма: (ISO 2710-78)

Рис. 3. Крейцкопфный узел двигателя

- тронковые – двигатель, в котором каждый шатун соединяется непосредственно с рабочим поршнем, передающим на стенку цилиндра боковую силу, вызванную наклоном шатуна;

- крейцкопфные – двигатель, в котором боковая сила, вызванная наклоном шатуна, передается через скользящую деталь (крейцкопф) на направляющие, закрепленные вне цилиндра.

По количеству рядов цилиндров: (ISO 2710-78)

Ряд цилиндров – расположение цилиндров, находящихся с одной стороны коленчатого вала, при котором ось коленчатого вала находится в плоскости, проходящей через оси цилиндров или параллельно ей.

- однорядные – двигатели с одним рядом цилиндров;

- двухрядные – двигатели с двумя параллельными рядами цилиндров и двумя коленчатыми валами;

Основную массу двигателей, находящихся в эксплуатации, составляют однорядные двигатели с вертикальным расположением цилиндров. Эти двигатели характеризуются сравнительно благоприятными условиями работы поршневой группы: меньшие неплотности между корпусом поршня и цилиндром, меньшая работа трения и более равномерный износ поршня. Силы инерции поступательно движущихся масс в этих двигателях воспри­нимаются непосредственно фундаментом, что связано с уменьшением его размеров, необходимых для надежной работы. Кроме того, двигатели отли­чаются удобством монтажа и обслуживания. Указанные преимущества, а также большой опыт построения и эксплуатации двигателей с вертикальным расположением цилиндров, предопределяют широкое применение подобных двигателей и в дальнейшем.

- многорядные – двигатели с более чем двумя рядами цилиндров.

Рис. 4. Схемы однорядного, двухрядного и многорядных двигателей

При наличии двух рядов цилиндров, расположенных под углом, конструкция называется V-образной; при трех рядах — W-образной, при четырех — Х-образной.

Для сочетания нескольких комплексов (звезд) вдоль коленчатого вала иногда применяют термин «многорядная звезда». Этот термин следует при­знать не особенно удачным т.к. в многорядных звездообразных двигателях оси цилин­дров соседних «звезд» не обязательно лежат в плоскостях коленчатого вала; в частности, при воздушном охлаждении, они смещаются на половину угла между цилиндрами.

По конструктивной (компоновочной) схеме: (ISO 2710-78)

Рис. 5. Схемы вертикальных двигателей

- вертикальный двигатель – двигатель с одним или более рядами цилиндров, каждый из которых расположен в вертикальной плоскости над своим коленчатым валом;

- перевернутый – двигатель с одним или более рядами цилиндров, каждый из которых расположен в вертикальной плоскости под своим коленчатым валом. На учебных самолетах за рубежом широкое распространение получили рядные перевернутые моторы. Основным их преимуществом перед звездообразными моторами и обычными рядными было то, что они обеспечивали летчику хороший обзор вперед, что являлось очень важным на самолетах такого назначения;

- горизонтальный двигатель – двигатель с одним или более рядами цилиндров, каждый из которых расположен в горизонтальной плоскости.

Рис. 6. Двигатель с горизонтальными противолежащими цилиндрами

Такие двигатели в последнее время в установках различного назначения начали применять двигатели более широко, чем ранее. Для машин наземного транспорта малая высота двигателя данного типа и удобство расположения его в машине являются в некоторых случаях несомненным преимуществом сравнительное с двигате­лями, имеющими вертикальное или V-образное расположения цилиндров.

- оппозитный двигатель - двигатель с двумя рядами цилиндров, расположенных в одной плоскости с противоположных сторон коленчатого вала;

- звездообразный – двигатель с расположением цилиндров, поршни которых подсоединены к одной шейке коленчатого вала;

Рис. 7. Звездообразный двигатель

В звездообразных двигателях более просто осуществить воздушное охлаждение, чем при рядном расположении цилиндров, так как цилиндры и головки не стеснены близостью смежных цилиндров. Однако, как правило, шатуны и коленчатые валы звездообразных двигателей получаются весьма напряженными и сложными. Последнее в еще большей степени относится к многорядным звездообразным двигателям,имеющим то преиму­щество, что требование малых габаритов и веса при большой мощности может быть удовлетворено полнее, чем при других одновальных схемах.

- V-образныйдвигатель – двигатель с одним коленчатым валом и двумя наклоненных под углом друг к другу рядами цилиндров. V-образные-двигатели получили большое распространение наряду с вертикальными конструкциями в транспортных установках. Основ­ное преимущество этих двигателей — малые габариты и в первую очередь малая длина, вследствие чего имеют большую жесткость такие ответствен­ные детали, как картер, головка цилиндров и коленчатый вал. Наиболее часто применяемый угол между осями цилиндров 45…90° в зависимости от назначения двигателя, требований к габаритам и равномерности чередо­вания вспышек. Там, где основным требованием является уменьшение габа­ритов по высоте, этот угол может быть и больше. W-образные двигатели имеют аналогичные преимущества, однако большого распространения они не получили вследствие сложности конструкции шатунов и других деталей.

Рис. 8. Двигатели: Х-образный двигатель (горизонтальный и вертикальный), V-образный двигатель и W-образный двигатели

- Х-образный двигатель – двигатель с одним коленчатым валом и расположенными в двух плоскостях под наклоном друг к другу четырьмя рядами цилиндров, по два ряда в каждой плоскости с противоположных сторон коленчатого вала.

Схема с Х-образным расположением цилиндров осущест­вляется в некоторых случаях,когда необходимо получить конструкцию двигателя с малыми габаритами. Детали кривошипно-шатунного механизма, детали корпуса и распределительного механизма получаются в этом случае весьма сложными. Углы между осями цилиндров выбираются или разными, например 60 и 120°, или одинаковыми. Двигатель в некоторых случаях устанавливают так, что коленчатый вал располагается вертикально (катерные и другие двигатели).

- веерныйдвигатель – двигатель с одним коленчатым валом и более чем двумя рядами цилиндров, наклоненных под углом друг к другу (угол наклона между внешними рядами менее 180 °);

Рис. 9. Двигатели с различным количеством валов: Н-образный двигатель; трехвальный двигатель с тремя рабочими полостями и осями цилиндров, образующими треугольник; двухвальный двигатель с ромбообразно расположенными цилиндрами; трехвальный двигатель с двумя рабочими полостями и V-образным расположением цилиндров

В связи с необходимостью создания мощных быстроходных двигателей конструкторы уделяют значительное внимание двухвальным и многовальным конструкциям. Конструктивные схемы подобных двигателей весьма разнообразны.Наличие нескольких валов позволяет осуще­ствить компактные и легкие конструкции, упростить и разгрузить ряд узлов, нередко использовать детали прототипного одновального двигателя, на­пример, блоки и головки цилиндров, детали шатунно-кривошипного механи­зма при выполнении двигателя по Н-образной схеме.

- Н-образный – двигатель с двумя коленчатыми валами и расположенными в двух параллельных плоскостях четырьмя рядами цилиндров, по два ряда в каждой плоскости с противоположных сторон коленчатого вала;

- многоугольный – двигатель с тремя и более рядами цилиндров с противоположно двигающимися поршнями, наклоненных под углом друг к другу таким образом, что ряды составляют стороны многоугольника, в каждой вершине которого расположен коленчатый вал.

Рис. 10. Двигатели с различным количеством валов с противоположно двигающимися поршнями

В некоторых случаях эти двигатели уступают одновальным по габаритам и весу, в частности, когда конструктор, стремясь решить задачу создания мощного двигателя более простым путем, применяет сочетание двух суще­ствующих одновальных двигателей.

Рис. 11. Двигатели с различным количеством валов с ПДП с уравниванием по снимаемой мощности

В некоторых схемах имеется возможность уравнять мощности, снимаемые с коленчатых валов. Они имеют малые габариты и большую мощность. Рабочий процесс этих двигателей характеризуется высоким качеством. Следует заме­тить, что они отличаются сложностью некоторых узлов, в частности корпуса и невозможностью подхода к деталям со стороны внутренней полости (на­пример, к части насосов и форсунок). В указанных двигате­лях один из поршней каждого цилиндра управляет впуском, другой выпуском, причем поршень, управляющий выпуском, омываемый выпускными газами, находится в тяжелых тепловых условиях. Так как кривошипы каждого цилиндра смещаются на угол, отличный от 180° на 10…20°, с коленчатого вала, управляющего выпуском, снимается большая мощность, и он получается более нагруженным.

По возможности изменения направления вращению вала: (ISO 2710-78)

- реверсивные – двигатель, в котором направление вращения коленчатого вала может быть изменено с помощью управляющего устройства;

- нереверсивные – двигатель, в котором коленчатый вал вращается всегда в одном направлении.

По направлению вращения коленчатого вала (ГОСТ 22836-77 или ИСО 1204)

Направление вращения двигателя определяется со стороны потребителя мощности (кроме исключений – например: М50, М400 и М401):

- правого вращения – двигатели, у которых коленчатый вал или выходной вал реверс-редуктора вращается по часовой стрелке;

- левого вращения – двигатели, у которых коленчатый вал или выходной вал реверс-редуктора (например 3Д6) вращается против часовой стрелке.

Если при этом если выпускной коллектор находится справа, то двигатель правой модели, а если слева, то двигатель левой модели.

Рис. 12. Направление вращения в L- и V-образных двига телях

По роду применяемого топлива (fuel type):

- однотопливные двигатели – двигатели, которые постоянно работают на одном виде топлива (дистиллятном или остаточном нефтяном топливе (Oil fired engines)) или газовом топливе (Gas fired engines).

- двухтопливные двигатели (Dual fuel engines) – двигатели, которые работают на нескольких видах топлива (сразу на газовом и нефтяном топливе);

- газодизельные двигатели (Gas-diesel engines) – двигатели, которые могут работать либо на газовом топливе, либо на нефтяном топливе, либо на их смеси;

- газовые двигатели (Gas engines или Spark-ignited Gas - SG) - двигатели, которые работают только на газовом топливе с воспламенением от свечи зажигания.

По типу системы впрыска топлива в цилиндр:

- обычная система впрыска (Conventional injection system) – система впрыска топлива в цилиндры двигателя, при которой увеличение давления топлива (Fuel pressure produced) перед топливной форсункой каждого цилиндра обеспечивается своим отдельным топливным насосом высокого давления (injection pump). Управление впрыском топлива топливных форсунок осуществляется механико-гидравлическим способом (Mechanical/hydraulic control of injection).

Рис. 13. Обычная система впрыска топлива и система впрыска топлива Common rail

- система впрыска топлива Common Rail (Common rail injection system) - система впрыска топлива в цилиндры двигателя, при которой увеличение давления топлива (Fuel pressure produced) перед топливной форсункой каждого цилиндра обеспечивается из общего топливного трубопровода (Common rail), давление топлива в котором поддерживается несколькими топливными насосами высокого давления. Управление впрыском топлива топливных форсунок осуществляется с помощью электроно-гидравлическим способом (Electronic/hydraulic control of injection).

По соответствию экологическим требованиям:

В мировом судоходстве требования по экологии регулируются Международной морской организацией (International Maritime Organization или IMO) путем Международных конвенций.

Правила IMO относительно загрязнения моря содержатся в «Международной конвенции по предупреждение загрязнения моря с судов» (International Convention on the Prevention of Pollution from Ships или MARPOL 73/78). Стандарты IMO по эмиссии вредных выбросов обычно упоминаются как стандарты Tier I, Tier II и Tier III.

Рис. 13. Требования Международных конвенций по эмиссии вредных выбросов

Пределы эмиссии окислов азота NOх для дизельных двигателей устанавливаются стандартами Tier I, II и III в зависимости от максимальной эксплуатационной частоты вращения (maximum operating speed) коленчатого вала n в оборотах в минуту.Основным критерием эмиссии окисей серы и косвенным критерием эмиссии мелких частиц (Рarticulate matter или PM), согласно требований Приложения VI MARPOL 73/78, является содержание серы (Sulfur Content of Fuel) в судовом топливе.

 

Выводы: