Современные судовые среднеоборотные двигатели - Возницкий И. В. [2003, PDF]

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 10
5. ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ 17
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
6.1 Дпитатели L32DF 87
6.5 Двигатели чВмргспля-Зулыи*!)* Z-10 90
7. ДВИГАТЕЛИ ФИРМЫ «КАТЕРПИЛЛАР» 98
7.1 Двигатели 3500 и 3600 серии 98
7.2 Двигатели МАК - Катерпиллар Моторен М20, М32С и М43 106
8. ДВИГАТЕЛИ ФИРМЫ «МАН-БУРМЕЙСТЕР И ВАЙН» 116
8.1 Двигатели L21/31 117
8.2 Днигатслп L 28/32 122
8.3 Двигатели L 40/5-1. L18/60 и L58/61 126
9. ДВИГАТЕЛИ ФИРМЫ «ДОЙТЦ» 132
9.1 Двигатели М628 132
9.2 Д Bin ател и М 615 131

ПРЕДИСЛОВИЕ

В течение последнего десятилетия ведущими двиглтелестронтельнымп компаниями велась интенсивная исследовательская и проектно-конструкторская работа по переводу среднеоборотных двигателей на дешевые тяжелые топлива п снижению эмиссии выхлопных газов в связи с растущими требованиями зашиты окружающей среды. Параллельно решались задачи по повышению надежности и эффективности двигателей, снижению эксплуатационных расходов и повышению долговечности.
В итоге, сегодня на рынке появилось принципиально новое поколение среднеоборотных дизелей, которые по многим показателям могут успешно конкурировать с малооборотнымп дизелями. В новых двигателях прежде всего были внесены изменения в топливоподачу - 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, серийно выпускаются двигатели с электронным управлением. В целях снижения образования NOx осуществляется впрыск в цилиндры воды, двигатели переводятся на работу на водотоиливиой 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 детален, так. не смотря на сжигание тяжелых топлив, срок службы головок поршней доведен до 60 тысяч часов, втулок цилиндров, подшипников, клапанов - 30 тысяч часов.
Перечисленные обстоятельства послужили основанием издания книги, в которой читатель нашел бы все то новое, что внедрено в практику современного двигателестроения. Книга писалась исходя из того, что она будет использоваться как учащимися морских учебных заведений, так и специалистами и судовыми механиками, работающими сегодня с подобными машинами.
При работе над книгой автор остановил свой выбор на двигателях ведущих мировых дизелестроигельиых компаний, к числу которых относятся Вяртсиля». «Катерпиллар - МАК» и «МАН&БВ*.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность представителям этих компании за помощь в подборе материалов, профессиональные.советы и спонсорскую поддержку по изданию книги: Менеджеру отдела морских двигателе!! Вяртсиля Мартину Рахольм. директору но сервису СПб Представительства Вяртсиля Андрею Уткину,
Сотрудникам Московского представительства фирмы Катерпиллар Виталию Преображенскому и Владиславу Демиденко,
Директору отдела морских двигателей Представительства МАК в Москве Вольфгангу Пакебуш,
Менеджерам СПб представительства фирмы Коккет Марин Ойл Михаилу Гпрусову и Сергею Луневу.
Книга рекомендуется к использованию в качестве учебного пособия 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.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Среднеоборотные двигатели занимают свыше 25% от общей мощности установленных па судах дизелей; в береговых электроэнергетических установках они играют превалирующую роль.
В процессе совершенствования их конструкции двигателестроительные фирмы исходили из требовании 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 запасные части.
• Низкую стоимость и трудоемкость в производстве, монтаже на судне и в процессе технического обслуживания.
Реализация этих требовании привела практически к созданию среднеоборотных двигателей нового поколения, существенно отличающихся от двигателей более ранних моделей, как по конструкции, так и но организации рабочего процесса.
Была продолжена форсировка рабочего процесса с использованием газотурбинного наддува. Современный уровень среднего эффективного 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. 83). Фирма МАН совместно с японским лнцензиатором 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:
9
• Болес* высоким кпд ГТК.
• Более простая и падежная конструкция выхлопных трубо-проводов,
• Достигается более ровная температура газов за цилиндрами и
• Обеспечивается больший запас по помпажу компрессора.
Но одновременно теряются такие преимущества импульсного наддува, как лучшее обеспечение двигателя воздухом на малых нагрузках. Это обстоятельство не могло не учитываться, так как большинство среднеоборотных двигателей используются в качестве главных па паромах, круизных судах, буксирах, траулерах п в качестве вспомогательных 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 режимах сопровождается ухудшением сгорания топлива и дымным выхлопом, связанными с ухудшением распыливапия топлива, падением'давления наддува и нарушением воздухоснабженпя. Поэтому первоочередная задача состояла в том, чтобы обеспечить стабильную и .-экономичную работу двигателей не только на режимах полных пли близких к ним нагрузок, но и на перечисленных режимах.
Известно, что 4-х тактпые двигатели, как правило, располагают значительным резервом энергии выхлопных газов и это вынуждает в ряде случаев прибегать к байпаспроваиню газов перед ГТК. Это обстоятельство 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.
Вторая проблема, которую пришлось решать, состояла в том, что температуры воздуха и газов в камере сгорания на частичных режимах существенно ниже и эго неблагоприятно отражается на задержке воспламенения. Затягивание воспламенения приводит к неполному сгоранию и прочим, связанным с этим последствиям. Поэтому Вяр- тсиля и ряд других фирм при переходе двигателя на нагрузки менее 45% прибегают к отключению охлаждения наддувочного 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 компрессора сжатый воздух, используя для этого дополнительно устанавливаемые сопла и лямбда-регуляторы, (см. рис 1-1). При увеличении нагрузки регулятор числа оборотов стремится переместить топливную рейку в сторону увеличения подачи топлива. Однако, давление наддува еще низкое, подача воздуха недостаточна и поршень сервомотора лямбда- регулятора ограничивает движение топливной рейки и одновременно 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 двигателестронтелями стояла задача -перевести среднеоборотные двигатели на тяжелые топлива, чтобы на судне могло использоваться единое топливо. Это диктовалось существенно более низкой стоимостью тяжелых топлив (примерно в два раза - см. рис 1-5). Если сначала решение этой задачи казалось маловероятным, то сегодня все ведущие фирмы ее успешно решили.
Если при переводе мощных малооборотпых двигателей на тяжелые топлива основные мероприятия сводились к организации надлежащей подготовки топлив, то решение этой задачи применительно к среднеоборотным двигателям потребовало еще и радикальных преобразований в организации рабочего процесса.
Прежде всего были усовершенствованы процессы смесеобразования и сгорания. С этой целью была увеличена мелкость рас пыл и ваий я путем увеличения давления впрыска топлива до 1200 -1500 бар. Более высокие давления впрыскивания около 2000 бар оказываются неоправданными, так как резко растут нагрузки на сопловые наконечники, сопровождающиеся их разрывом. С увеличением нагрузок на привод ТНВД приходится усиливать распределительный вал и его шестеренчатый привод.
Если при переводе мощных малооборотпых двигателей на тяжелые топлива основные мероприятия сводились к организации топливообра- ботки и подготовки топлив, то решение этой задачи применительно к среднеоборотным двигателям потребовало радикальных преобразований в организации рабочего процесса.
Тяжелые топлива состоят из тяжелых фракций, обладающих более длительным периодом подготовки к сгоранию и меньшими скоростями горения. При работе двигателя иа таких топливах особенно в зоне частичных нагрузок, когда давления it температуры в конце сжатия
низкие, ф|ии 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 скоростей нарастания и величины давления, что влечет за собой рост механических нагрузок, особенно, в подшипниках. Топливные струи, не выгорая по пути, бьют ио стейкам 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 температуры в цилиндре в момент впрыска топлива. При модернизации двигателей это было достигнуто увеличением степени сжатия с 10,5-11 до М-15,5. Известно, что с увеличением е попытается термический КПД цикла, что несомненно полезно, но одновременно с ростом давлений в момент впрыска топлива увеличивается и максимальное давление цикла, 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 сокращении 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 двигателе Вяртснля 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 отверстии и повышением скорости движения плунжера ТНВД путем перепрофилирования топливного кулака. Как видно из рис. 1-2 скорость тепловыделения, а с ней и скорость роста давлений и цилиндре с увеличением степени сжатия существенно уменьшаются.
Здесь важно отметить, что переход от цикла со смешанным подводом тепла к циклу Р = пост, должен был привести к снижению экономичности. Но одновременное увеличение степени сжатия и сокращение продолжительности подачи при одновременном повышении тонкости расныливания топлива позволили коисгрукторам удержать его расход на прежнем уровне п. при этом, решить главную задачу - обеспечить эффективную работу двигателей на тяжелых топливах и уменьшить образование NCK
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. Одновременно с увеличением S/D снизили частоту вращения. Это понизило среднюю скорость поршня п скорость изнашивания ЦПГ.
Форсировка двигателем! и использование в них тяжелых топлив но требовал особое внимание обратить на их тепловую напряженность, особенно, в зоне камеры сгорания. В целях снижения температур и более равномерного их распределения (снижения температурных перепадов) охлаждение детален камеры сгорания было организовано по принципу канального, позволяющего приблизить охлаждающую жидкость к теп- ловоспринимаюшим поверхностям. Это наряду со снижением температур. позволило уменьшить температурные перепады и вызываемые ими деформации и температурные напряжения. Конструктивные решения показаны на стр. 63 (рис, 6-4).
Особое внимание уделялось температурным нолям:
• Рабочей поверхности втулки цилиндра - во-избежаиие 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 образованием лако- и нагароотложен и й.
• Поршня в зоне поршневых колец - не выше 160° в целях предотвращения нагарообразовання в кепах и на внутренней охлаждаемой поверхности поверхности головки.
• Крышки цилиндра в зоне расположения седел выхлопных кла-панов - не выше 150е во-избежанпе высокотемпературной (Na-V) коррозии седел и клапанов.
Алюминиевые поршни в большинстве конструкций были заменены па чугунные, изготовленные из высокопрочного и износоустойчивого чугуна со сферическим графитом, либо на составные с головками, изготавливаемыми из жаропрочно!! стали.
Большое внимание было уделено организации смазки ЦПГ.
Традиционно применяемая в тронковых двигателях смазка разбрызгиванием в двигателях «Вяртсиля» была заменена на принудительную подачу масла в зазор между трон ком и втулкой цилиндра через каналы в самом поршне (см. рис. 6-3 . В двигателях «Зульцер-240* была введеиепа принудительная смазка иод давлением от лубрикатора. Эти решения снизили износы ЦПГ и 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 необходимость уменьшения объема работ по техническому обслуживанию непосредственно на судне и переноса большей части этих работ на берег. Этому же способствует и напряженное расписание рейсов, приводящее к сокращению стоянок в порту п, тем самым, затрудняющее выполнение грудоемких работ в эти периоды.
Нельзя не учитывать и наблюдаемое снижение квалификации судовых механиков, для которых выполнение ряда сложных работ по моточистке представляется довольно сложным п, в связи с этим, нередки ошибки. В подтверждение сказанному поданным морских страховщиков более 50% поломок у вспомогательных дизеле!! приходится на первые 500 часов их работы после моточистки, при этом основной причиной является человеческий фактор.
Изложенные обстоятельства послужили основанием для ради-кального изменения компоновочных схем двигателей нового поколения. Применение модульных решений, предусматривающих интегрирование ряда ранее сопрягаемых конструктивных элементов в отдельные моду.in - моноблоки, устранение внешних трубопроводов и размещение их в моноблоках, замена фланцевых или штуцерных соединений на самоуплотняющиес я разъемы гипа plug-in («папа-мама») существенно упростило операции по разборке двигателей.
Типичным примером модульного решения может служить ил-люстрация. показанная на рис. 1-1.
Здесь навешенные на двигатель насосы охлаждения н смазки, охладители, терморегуляторы, масляный самоочищающийся фильтр и подсоединенные к ним трубопроводы интегрированы в одну коробчатую конструкцию, закрепляемую па фронтовой части остова двигателя. Вся цнлиндро-иоршневая 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 модульио заменяемых элементов также: