Схема клапанов дизельного двигателя
Судовые двигатели внутреннего сгорания
Газораспределение четырехтактных и двухтактных дизелей
Механизм газораспределения служит для управления процессами впуска воздуха в цилиндр и выпуска отработавших газов. Состоит из впускных и выпускных органов газораспределения и их приводов.
В четырехтактных дизелях применяют клапанное газораспределение. Клапанный механизм газораспределения состоит (рис. 1, а) из клапанов 1, расположенных в направляющих втулках 2 и удерживаемых в закрытом состоянии пружинами 3, распределительного вала 9, толкателя 8, штанги 7 и клапанного рычага (коромысла). Привод распределительного вала — шестеренный (рис. 1, а).
Механизм газораспределения действует путем вращения коленчатого вала двигателя, на конце которого посажена шестерня 11. Она приводит в движение шестерню 12, а та вращает шестерню 10 распределительного вала. При вращении распределительного вала его кулачок поднимает толкатель 8, который воздействует на штангу 7, поднимающую правое плечо коромысла 4, заставляя его немного повернуться вокруг оси и левым концом открыть клапан 1. Когда выступ кулачка распределительного вала выйдет из-под толкателя, давление на клапан прекращается и он под воздействием пружины 3 становится на место и закрывает отверстие в крышке цилиндра.
Рис. 1. Механизм газораспределения и его приводы: а — клапанный механизм газораспределения четырехтактного дизеля с шестеренным приводом; б — цепной привод распределительного вала малооборотного двухтактного дизеля.
Во время работы двигателя клапаны нагреваются и, следовательно, расширяются, т. е. увеличиваются в длину. Для компенсации этого расширения между торцом стержня каждого клапана и коромыслом должен быть некоторый зазор «А»: меньший для впускного клапана и больший для выпускного (более сильно нагревающегося). Требуемую величину зазора устанавливают регулировочным винтом 6, закрепляемым контргайкой 5. При завинчивании винта 6, нижний конец которого упирается в штангу, правое плечо клапанного рычага будет подниматься, а зазор «А» уменьшаться; при вывинчивании — наоборот. Номинальное значение зазора находится в пределах от 0,2 до 0,55 мм.
Шестеренный привод механизма газораспределения применяют в большинстве четырехтактных дизелей. У некоторых малооборотных двухтактных дизелей (рис. 1, б), у которых подача свежего воздуха в цилиндр осуществляется через окна, а выпуск отработавших газов — через клапаны, находит применение цепной привод распределительного вала. У такого привода дизеля фирмы «Бурмейстер и Вайн» вращение передается от коленчатого вала 13 через ведущую звездочку 12 с помощью втулочно-роликовой цепи 11 на ведомую звездочку 5, насаженную на вал привода выпускных клапанов и топливных насосов. Направление цепи осуществляется с помощью промежуточных звездочек 2, 3, 10. Натяжение цепи поддерживается постоянным. Оно осуществляется автоматически звездочкой 9, размещенной на качающемся вокруг оси 8 фигурном рычаге 1, штангой 7 и пружиной 6. Использование цепного привода целесообразно, если расстояние между коленчатым и газораспределительным валами достигает нескольких метров.
В двухтактных двигателях периоды выпуска отработавших газов и наполнения цилиндра зарядом свежего воздуха значительно короче (примерно в 3 раза меньше), чем в четырехтактных. Вытеснение отработавших газов из цилиндра потоком продувочного воздуха (а не поршнем, как в четырехтактных двигателях), имеющего высокую скорость, затрудняет качественную очистку и наполнение цилиндра.
Для наиболее полной очистки и наполнения рабочего цилиндра при минимальном расходе продувочного воздуха созданы разнообразные системы продувки. В зависимости от характера движения потоков воздуха в цилиндре применяемые системы продувки подразделяют на контурные и прямоточные.
В контурных системах выпускные 2 и продувочные 1 окна размещаются в нижней части цилиндра (рис. 2, а, б). Поток продувочного воздуха движется по контуру цилиндра сначала снизу вверх до крышки цилиндра, а затем в обратном направлении.
Основным преимуществом контурной системы продувки является относительная простота конструкции двигателя. Так, функции газораспределения выполняет поршень, реверс осуществляется относительно просто, что существенно для судовых двигателей, работающих непосредственно на гребной винт.
Рис. 2. Типы продувок двухтактных дизелей: а — с эксцентричным расположением окон; б — односторонняя петлевая; в — прямоточно-клапанная; г — прямоточная бесклапанная.
При контурной поперечно-щелевой системе продувки оси продувочных окон пересекаются в центре, смещенном от центра пересечений выпускных окон. При этом потоки воздуха, выходящие из крайних окон, создают подпор для струй, выходящих из средних окон, и заставляют продувочный воздух подниматься вверх и хорошо омывать пространство цилиндра возле крышки. Данный тип продувки характеризуется небольшим перемешиванием продувочного воздуха с отработавшими газами и малыми его потерями через выпускные окна. Такую продувку используют в двигателях 8ДР 43/61, DMR производства ГДР и фирмы «Зульцер».
Контурную продувку с лучевым расположением окон применяет фирма МАН в малооборотных двигателях (см. рис. 22, б). Верхние окна являются выпускными, нижние — продувочными. Продувочные окна имеют небольшой наклон вниз (10. 15°). Поступающий из ресивера продувочный воздух направляется вогнутым днищем поршня вверх и, описав петлю, вытесняет продукты сгорания через выпускные окна. Путь, пройденный струями продувочного воздуха в цилиндре при такой продувке, является наиболее длинным, что способствует лучшему вытеснению из цилиндров продуктов сгорания.
Прямоточные системы продувки характеризуются движением газовоздушного потока в одном направлении. Выпускные и впускные устройства располагаются по концам цилиндра (рис. 2, в, г).
Качество очистки цилиндра при прямоточной системе продувки выше, чем при контурной. Например, при прямоточной системе отмечается более интенсивное перемешивание свежего заряда с отработавшими газами, а непродутых зон в цилиндре меньше из-за петлеобразного движения потоков продувочного воздуха. При прямоточных продувках количество газов, оставшихся в цилиндре после продувки, составляет 5. 7%, а при контурных продувках — 8. 12%.
В прямоточной клапанно-щелевой системе выпуск продуктов сгорания осуществляется через клапан 2, установленный в крышке цилиндра (см. рис. 2, в). Продувочный воздух поступает через окна 1, расположенные в нижней части по всей окружности цилиндра. При ходе поршня вниз за 70. 85° до н.м.т. открывается клапан и начинается выпуск. При дальнейшем движении вниз поршень открывает продувочные окна — начинается продувка. Через 40. 45° после н.м.т. выпускной клапан закрывается. Одновременно или несколько позже закрываются продувочные окна.
Для улучшения очистки цилиндра и повышения качества смесеобразования продувочные окна имеют тангенциальное направление (оси окна расположены по касательной к какой-то окружности), в результате чего потоки воздуха в цилиндре движутся по спирали, замещая вытесняемые продукты сгорания. При этом перемешивание продувочного воздуха с продуктами сгорания оказывается незначительным.
Клапанно-щелевую систему продувки применяют в мощных судовых двигателях Брянского машиностроительного завода и дизелях фирмы «Бурмейстер и Вайн».
Прямоточную бесклапанную продувку применяют в двигателях с противоположно движущимися поршнями (см. рис. 2, г). В настоящее время это наиболее совершенная система, так как продувочные и выпускные окна расположены на противоположных концах цилиндровой втулки по всей ее окружности.
Продувочные окна 1 имеют тангенциальное направление, что улучшает очистку и зарядку цилиндра. Выпускные окна 2 направлены радиально. Открываются и закрываются окна при движении поршней; при встречном движении их в цилиндре происходит сжатие воздуха, при расхождении — рабочий ход, при приближении к наружным мертвым точкам сначала открываются выпускные окна (происходит выпуск), затем продувочные (начинается продувка). Прямоточную щелевую бесклапанную продувку применяют в дизелях типа Д100.
Конструкция основных узлов дизельных двигателей
Современный дизельный двигатель представляет собой сложный агрегат, состоящий из ряда отдельных механизмов, систем и устройств. Конструкция дизельного двигателя зависит от его назначения, мощности, области применения и т.д. В любом двигателе можно выделить следующие основные узлы: остов, кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения и продувочные и наддувочные устройства (рис. 23).
Остов двигателя поддерживает и направляет движущиеся детали, воспринимает все усилия при работе двигателя; представляет собой совокупность неподвижных деталей двигателя – фундаментной рамы, картера, цилиндров, крышек цилиндров, анкерных связей, шпилек и болтов, стягивающих эти детали.
Фундаментная рама является основанием остова, предназначена для укладки коленчатого вала и служит емкостью для сбора масла, вытекающего из узлов смазывания двигателя. Рама нагружена массой двигателя, силами давления газов, силами инерции поступательного движения и вращающихся масс; Если двигатель оборудован навешенными механизмами (водяными, масляными, топливоподкачивающими насосами), то они монтируются на переднем конце рамы; Рамовые подшипники являются опорой для шеек коленчатого вала;
Картер служит для соединения цилиндров с фундаментной рамой, образует закрытое пространство для размещения кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Детали картера подвергаются растяжению от действия максимальной силы давления газов и сжатию усилием предварительной затяжки, а также изгибающим усилиям в крейцкопфных двигателях;
Рабочие цилиндры – это часть двигателя, где осуществляется рабочий цикл. Цилиндр состоит из рубашки и вставной втулки. Во втулке движется поршень и протекают рабочие процессы. Рубашка является опорой для втулки и образует полости для ее охлаждения. Цилиндры устанавливают на верхнюю обработанную плоскость станины или картера и закрепляют шпильками или анкерными связями.
Крышка рабочего цилиндра закрывает и уплотняет рабочий цилиндр и образует вместе с поршнем и втулкой камеру сгорания; на крышку действуют усилия от затяжки крышечных шпилек и переменного давления газов, а также высокая тепловая нагрузка; крышки двухтактных дизелей имеют более простую конструкцию из-за отсутствия клапанов;
Кривошипно-шатунный механизм воспринимает усилие от давления газов и преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Основными деталями КШМ в крейцкопфных двигателях являются поршень, шток поршня, крейцкопф, шатун, коленчатый вал; в тронковых двигателях – поршень, поршневой палец, шатун, коленчатый вал.
Поршень воспринимает силу давления газов и передает ее через шатун на коленчатый вал. В тронковых двигателях он выполняет роль ползуна, управляет газообменом в двухтактных дизелях; днище поршня воспринимает давление и теплоту горячих газов, ограничивает и формирует камеру сгорания. Форма днища поршня зависит от примененного способа смесеобразования, расположения камеры сгорания и типа продувки. Поршень уплотняется в цилиндре поршневыми кольцами – компрессионными и маслосъемными. Компрессионные кольца уплотняют рабочий зазор, отводят теплоту от поршня к стенкам цилиндра, маслосъемные кольца регулируют количество масла, удаляя его излишки с зеркала цилиндра;
Шатун соединяет поршень или поперечину крейцкопфа с коленчатым валом, обеспечивает перемещение поршня при совершении вспомогательных ходов; шатун подвергается действию силы от давления газов, сил инерции поступательно движущихся масс и сил инерции, возникающих при качании шатуна;
Группа коленчатого вала – сюда входят следующие узлы двигателя: коленчатый вал, противовесы, распределительная шестерня или звездочка, шестерни привода навешенных вспомогательных механизмов, узел осевой фиксации, демпфер, маховик. Коленчатый вал относится к числу наиболее ответственных, напряженных и дорогостоящих деталей. При работе двигателя вал нагружается силами давления газов, силами инерции движущихся возвратно-поступательно и вращающихся деталей. Для уравновешивания центробежных сил коленчатые валы снабжаются противовесами. Если вспомогательные механизмы, обеспечивающие работу дизеля, приводятся во вращение от коленчатого вала самого двигателя, то раздача мощности на механизмы производится от коробки приводов. Отбор мощности производится на механизмы газораспределения, топливные, масляные насосы и насосы системы охлаждения. Для обеспечения равномерности вращения коленчатого вала двигателя применяются маховики.
Механизм газораспределения открывает и закрывает впускные и выпускные органы в соответствии с принятыми фазами газообмена. Механизм газораспределения состоит из рабочих клапанов и деталей, передающих им движение от коленчатого вала двигателя – шестерен, распределительных валов, толкателей, штанг, рычагов. Конструкция механизма газораспределения зависит от конструкции самого дизельного двигателя. Как правило, применяются следующие типы газораспределения: клапанное, золотниковое и комбинированное.
Клапанное газораспределение применяется в четырехтактных дизелях всех типов и в качестве привода выпускных клапанов в двухтактных дизелях при клапанно-щелевой схеме газообмена (рис. 24).
Привод верхних клапанов может осуществляться непосредственно от распределительного вала или через промежуточные детали в виде толкателей, штанг, коромысел, рычагов, траверс. Расположение распределительного вала при этом может быть как верхним над крышкой блока цилиндров (рис. 24.а – г), так и нижним – вдоль блока цилиндров (рис. 24.д). Верхние клапаны дают возможность получить компактную камеру сгорания цилиндрической, конической или сферической формы, благоприятной для смесеобразования и сгорания топлива. Верхнее расположение клапанов типично для различного рода дизельных двигателей. При нижнем расположении клапанов (рис. 24.е) упрощается устройство головки цилиндров и механизма привода клапанов, уменьшается число деталей механизма газораспределения и высота самого двигателя. При этом клапаны могут располагаться как с одной, так и с обеих сторон блока цилиндров.
Золотниковое (бесклапанное) газораспределение осуществляется поступательно движущимися или вращающимися золотниками, а также золотниками, совершающими одновременно поступательное и угловое перемещения. При золотниковом газораспределении можно обеспечить большие проходные сечения для газов и бесшумную работу двигателя. В двухтактных дизелях в роли золотниковой пары выступает сам поршень и окна во втулках цилиндра.
К продувочным и наддувочным устройствам для зарядки цилиндров двигателя относятся: продувочные насосы (в двухтактных дизелях), наддувочные агрегаты, детали приводов, ресиверы продувочного и наддувочного воздуха, охладители воздуха, воздушные фильтры.
Литература
Судовые энергетические установки. Дизельные и газотурбинные установки. Болдырев О.Н. [2003]