Финская фирма Wartsila Diesel имеет большой производственный опыт по разработке и выпуску судовых дизелей. По итогам предшествующих лет фирма занимала пятое место в мире по общему объему дизелестроения, что составляло более 5% от всей установленной мощности. Постоянное увеличение выпуска двигателей было возможно благодаря значительному расширению станочного парка и производственных площадей. Сначала это были тронковые модели типа T,TS, R и V с диаметром цилиндра 22, 24 и 32 см. В свое время четырехтактные дизели марки Vasa 32 и Vasa R/V22HF фирмы Wartsila Diesel явились первенцами финского тронкового дизелестроения, предназначенными для работы на тяжелом высоковязком топливе.

В дальнейшем фирма Wartsila Diesel приобрела акции компании Sulzer Diesel, организовала совместное производство с фирмой Cummins и после слияния с рядом зарубежных фирм была преобразована в Wartsila NSD Corporation, осуществляющую производство высоко-, средне- и малооборотных двигателей как собственной конструкции, так и вышеупомянутых присоединенных иностранных фирм. Данное объединение в настоящее время занимает второе место в мировом дизелестроении по объему установленной мощности.

В настоящее время значительно расширен типоразмерный ряд выпускаемых дизелей и налажен выпуск длинноходовых крейцкопфных и тронковых дизелей. Это лицензионные дизели фирм MAN-B&W, Sulzer и SEMT-Pielstick и двигатели нового поколения собственной разработки (Vasa 46, 38, 64), рассчитанные на диапазон мощностей от 3600 до 16 300 кВт. Организовано производство гребных винтов регулируемого шага, редукторных передач и систем автоматического контроля и диагностики дизелей.

Что касается тронковых дизелей, то в настоящее время производственная программа корпорации включает 8 моделей четырехтактных дизелей. Заводы Vasa выпускают среднеоборотные и повышенной оборотности двигатели: модели 20L, 26L, 26Х (форсированные с использованием MDO), 32, 38, 46, 64 и лицензионный двигатель Sulzer ZA40S.

Все двигатели предназначены для работы на тяжелых сортах топлива (HF), что предопределило необходимость (в целях улучшения сгорания топлива) создания в цилиндрах высоких давления и температуры. Чтобы обеспечить нечувствительность двигателя к низкому качеству топлива, была внедрена система водяного охлаждения с регулировкой по нагрузке и увеличено давление впрыска для улучшения распыливания топлива. Так, в двигателе Vasa R46 максимальное давление цикла Р_z = 18 МПа, а давление впрыска топлива (Р_вп) составляет 200 МПа.

Двигатели типа 24TS, R/V22 и R/V32

Дизели Vasa 24TS (ЧН24/31) и Vasa R24 в свое время получили широкое распространение в судовой практике.

Двигатели типа Vasa 24TS применялись на судах в качестве главных и вспомогательных двигателей. Уровень форсировки дизелей составлял Р_е = 1,26 МПа при импульсном наддуве с турбокомпрессором (ТК) типа RR 150 и давлении подаваемого воздуха в цилиндр, равном 0,2 МПа. При работе дизеля на номинальном режиме удельный расход топлива составлял g_e= 208 г/(кВт•ч).

Дизели Vasa R/Y22 (ЧН22/24) выпускались в четырех-, шести- и восьмицилиндровом рядном исполнении (Yasa R), а также в двенадцати- и шестнадцатицилиндровом V-образном (VasaV) исполнении.

В конструкции двигателей рассматриваемых модельных рядов Wartsila, равно как и машин меньшей размерности, много общего. Для них характерно наличие монолитных литых блоков, объединенных в одно целое с картером и обеспечивающих высокую поперечную и продольную жесткость.

Блок цилиндров монолитный из высококачественного чугуна, коленчатый вал подвесного типа, цельнокованый из углеродистой стали (рис. 4.58). Жесткость блока цилиндров обеспечивается путем применения ребер жесткости, а также увеличением толщины верхней и нижней частей блока. Рамовые подшипники прецизионные, имеют трехслойную заливку, полностью взаимозаменяемые, вкладыш из стали толщиной 7 мм покрыт слоем свинцовистой бронзы толщиной 0,4-0,7 мм, рабочая поверхность вкладыша покрыта слоем антифрикционного сплава толщиной 0,04-0,05 мм.

Максимальная нагрузка на подшипнике при Р_е = 1,8 МПа составляет около 20 Н/мм². Разъем нижней головки шатуна находится под углом 35° по отношению к его продольной оси, благодаря этому шатун можно демонтировать через цилиндр. Поверхности разъема шатуна рифленые отшлифованные.

При угле между блоками цилиндров 55 ширина V-образного дизеля не превышала 1,7 м. Поэтому в машинном отделении можно было установить два двигателя Vasa 22 параллельно друг другу при номинальном расстоянии между коленчатыми валами 2,25 м.

Крышка цилиндра имеет два впускных и два выпускных клапана, которые идентичны, гнезда клапанов покрыты стеллитом, кулачковые валы хромированы (рис. 4.59). Распределительный вал составной, каждая его часть имеет кулачки для привода впускных и выпускных клапанов и ТНВД для каждого цилиндра дизеля.

Турбокомпрессор фирмы Brown Bovery типа 1XRR 180 или 1XRR 212 для рядного исполнения и типа 2XRR 212 для V-образного исполнения. Давление наддувочного воздуха после турбокомпрессора составляло 0,17 МПа, удельный расход топлива g_e = 208-215 г/(кВт•ч).

Дизели типа Vasa 22 имеют три конструкционных типа поршней (рис. 4.60). Все типы поршней имеют кольцевое пространство охлаждения для масла, которое поступает туда от коленчатого вала через отверстие в шатуне и дальше через палец поршня. Из кольцевого пространства масло поступает в картер через отверстия, обеспечивающие частичное наполнение охлаждающего пространства. Эффективному охлаждению поршня способствует вибрация дизеля. Поршень имеет три компрессионных кольца (из них два верхних выпуклой формы), а также маслосъемное кольцо с расположенной внутри пружиной; поверхности скольжения колец хромированы.

Дизели типа Vasa 32 (ЧН32/35) являются усовершенствованной модификацией дизеля Vasa 24TS. Производство дизелей Vasa R32 (рис. 4.61) базировалось на самых современных достижениях в организации рабочего процесса и простоты обслуживания. Основные достоинства данного двигателя — низкое содержание NOx, надежность и небольшие затраты в обслуживании; встроенные приборы контроля и диагностики; минимальные расходы топлива и циркуляционного масла. При этом процесс сгорания при низких значениях NOx сопровождается сохранением прежнего значения термического КПД.

Это обеспечивается за счет высокой температуры процесса сжатия, что резко сокращает период задержки самовоспламенения; более позднего впрыска и короткой продолжительности подачи топлива, что дает оптимальную ориентацию горения относительно ВМТ; усовершенствованного распыла топлива и соответствия формы топливного факела и формы камеры сгорания, повышающие эффективность смесеобразования.

Дизели выпускают в четырех-, шести-, восьми- и девятицилиндровом рядном исполнении, а также в двенадцати-, шестнадцати- и восемнадцатицилиндровом V-образном исполнении.

К особенностям дизелей типа Vasa 32 относятся:

• коробчатая жесткая конструкция блока цилиндров;
• «мокрые» втулки цилиндров с верхним опорным буртом, в котором выполнены сверленые каналы для охлаждающей воды;
• составной поршень с головкой из стали и тронком из чугуна с шаровидным графитом;
• высокое давление топлива в системе подачи топлива (100 МПа и более), тепловая изоляция ТНВД;
• оборудование дополнительным пневматическим устройством (на каждом ТНВД), предохраняющим дизель от разноса;
• пуск и остановка дизеля на тяжелом топливе.

Крышки цилиндров двигателя типа Vasa R32 изготовлены из серого чугуна. Днище со стороны камеры сгорания относительно тонкое. Выпускные клапаны изготовлены из ферритовой мартенситной стали. Для предупреждения высокотемпературной коррозии нижней поверхности тарелки у выпускного клапана дизеля улучшено охлаждение седла. Это достигается с помощью просверленной канавки в перемычке цилиндровой крышки между клапанами (рис. 4.62). Кроме того, клапан усиленно охлаждается продувочным воздухом. Для этого оптимизированы характеристики потока воздушного заряда и профили кулачков газораспределительного вала. В итоге температура седла и тарелки клапана не превышает 550°С.

Поршень двигателей моделей Vasa 32 составной со стальной головкой и коктейльным охлаждением (рис. 4.63). Разработка и применение поршня из чугуна с шаровидным графитом с системой смазки под давлением повысили срок службы и износостойкость поршня. Комплект поршневых колец дизеля состоит из двух хромированных компрессионных, объединенного компрессионно- маслосъемного и нагруженного пружиной маслосъемного кольца.

Шатун с косым разъемом, затяг шпилек гидравлический. Коленчатый вал подвесной, нижние головки шатунов морского типа с прямым разъемом. Подобное решение позволило увеличивать диаметр мотылевой шейки и осуществить демонтаж поршня с шатуном без разборки мотылевого соединения. Дизели оборудованы импульсной системой газотурбинного наддува. Турбокомпрессоры типа VTR фирмы Asea Brown Воvегу (АВВ) снабжены специальным устройством для промывки турбины водой.

В системе смазки применены полнопоточный сдвоенный фильтр, за которым находятся предохранительные сетки, очищающие масло даже при пepeпуске его мимо фильтра, а также центробежные фильтры, установленные после насоса (рис. 4.64). Что значительно улучшает качество очистки масла. При этом масло из распределительной трубки поступает к каждому рамовому подшипнику через индивидуальную телескопическую трубку, присоединенную к крышке подшипника. Дизели предназначены для работы на тяжелом топливе плотностью 0,94-0,995 г/см³ и кинематической вязкостью 100-650 сСт при 50°С.

Теплообменник для охлаждения масла во время нормальной работы дизеля может быть использован как подогреватель масла в период прогрева дизеля. Замена масла в системе смазки дизеля требуется через 3-5 тыс. ч работы.

В систему охлаждения дизеля входят высокотемпературный контур (ВТК) для охлаждения рубашек цилиндров и низкотемпературный контур (НТК) для охлаждения наддувочного воздуха и масла (рис. 4.65). При понижении нагрузки ниже 35% терморегулирующие клапаны переключаются на диапазон более высоких температур, температура горячего контура повышается на 20-30°С, а холодного — на 40-50°С. В результате температура втулки цилиндра сохраняется достаточно высокой.

Это исключает холодную коррозию, а подогрев наддувочного воздуха обеспечивает достаточно высокие температуры сжатия, сгорания и выпускных газов на низких нагрузках.

Высокие давления процесса сгорания требуют реализации мероприятий по повышению надежности деталей ЦПГ: коленчатого вала и подшипниковых узлов. Это было достигнуто тщательной оптимизацией размеров радиуса кривошипа и диаметров шеек коленчатого вала, работающих в многослойных тонкостенных подшипниках.

Для улучшения процесса сгорания тяжелых сортов топлива необходима подача большого количества воздуха, что предусмотрено в конструкции крышки. Интенсивное внутреннее охлаждение осуществляется через радиальные каналы путем подвода охлаждающей жидкости в направлении от периферии к центру потоков.

Для улучшения воздухоснабжения двигателей, работающих на высоковязких топливах и долевых нагрузках, фирмой была разработана новая комбинированная система турбонаддува SPEX. В ней все отработанные газы собираются в одном коллекторе и поступают в один турбонагнетатель, сочетая при этом достоинства импльсной и изобарной систем (рис. 4.66). Эта система показала себя более эффективной, чем другие, и обеспечила дальнейшее снижение удельного расхода топлива.

При этом в двигателе Vasa 32 топливный насос, подводящие и нагнетательные трубопроводы имеют слив в закрытом пространстве за легкосъемной крышкой. В результате этого во время прогрева все элементы топливной системы перед пуском приобретают достаточно высокую температуру (рис. 4.67). Кроме того, указанная закрытая конструкция повышает пожарную безопасность. Приведенные выше мероприятия позволили обеспечить работу дизеля этой модели на тяжелом топливе как под нагрузкой, так и при пуске и остановке.

При разработке дизелей большое внимание уделялось вопросам удобства технического обслуживания: например, у двигателя Vasa 32 при помощи гидравлических приспособлений затягивают все большие болты, устанавливают подшипники газораспределительного вала, демонтируют крышки коренных и шатунных подшипников. Составная конструкция газораспределительного вала позволяет производить его монтаж и демонтаж по частям с боковой стороны дизеля.

Опыт эксплуатации нескольких СОД марки 4R32 в течение более 40 тыс. ч на топливе вязкостью 300 сСт показал, что износ втулок цилиндров составил 0,006-0,008 мм/1000 ч, канавок поршневых колец — 0,005--Q,007 мм/1000 ч. Срок службы выпускных клапанов и седел достигал 24 000-32000 ч, ресурс форсунок — 4000 ч.

Двигатели типа R/V22(HF) (HF — Heavy Fuel)

Первоначально эти двигатели фирмой выпускались в качестве главных судовых и вспомогательных, работавших на дистиллятных топливах типа MDO (Marine Diesel Oil). Учитывая мировые тенденции использования на судах более дешевых тяжелых топлив и накопив опыт по их применению в тяжелых среднеоборотных двигателях, фирма провела комплекс работ по использованию тяжелых топлив в своих дизелях.

Первым двигателем повышенной оборотности, в котором эта проблема была решена, явился двигатель модели R22HF (ЧН22/26) (рис. 4.68). Для эффективного использования тяжелых топлив в машинах этого класса ход поршня по отношению к базовой модели был увеличен до 260 мм (в моделях V22HF сохранен прежний).

Тяжелые топлива, как правило, содержат крайне нежелательные примеси серы, ванадия и натрия, вызывающие низко- и высокотемпературную коррозию цилиндропоршневой группы. Кроме того, они обладают плохой самовоспламеняемостью и пониженной скоростью сгорания благодаря высокому содержанию асфальтенов и ароматических углеводородов. Более полному сгоранию тяжелого топлива в дизелях небольшого типоразмера как раз и способствует увеличение хода поршня.

При переводе дизеля на тяжелое топливо необходимо для понижения его вязкости перед двигателем в зависимости от начальной вязкости подогревать до температур 100-150°С. А также изолировать топливопроводы и топливовпрыскивающую аппаратуру и поднять давление в системе топливоподачи до 4-5 бар во избежание газообразования и испарения легких фракций.

Для исключения условий возникновения низкотемпературной сернистой коррозии, которая происходит при конденсации паров воды и SO_x на стенках цилиндра, фирмой за счет изменения режима охлаждения втулок было достигнуто увеличение температур внутренних поверхностей в зоне низких нагрузок двигателя. При этом был обеспечен ступенчатый рост температур выходящей из двигателя воды при переходе на режимы пониженных нагрузок (менее 40%) с 75-80 до 90-100°С.

Решение проблемы повышения эффективности сгорания тяжелых топлив потребовало принятия мер по увеличению давлений впрыска до 140—150 МПа, что обеспечило более мелкое распыливание топлива не только на полных, но и на малых нагрузках. С увеличением мелкости распыливания убыстряется прогревание капли в камере сгорания от сжатого горячего воздуха, что интенсифицирует процессы подготовки ее к сгоранию. Этому же способствует увеличение температур воздуха в конце сжатия, что было достигнуто путем увеличения степени сжатия (температура t_e поднята до 850°С) и оптимизации закономерности подачи топлива.

Опыт эксплуатации показывает, что двигатели подобного класса, размерности и оборотности более надежно и эффективно работают на топливах с вязкостью 180-240 сСт. Максимальное давление сгорания лежит в пределах 15-16 МПа, среднее эффективное давление Р_е = 1,91-2,28 МПа, при давлении наддувочного воздуха Р_s = 0,23-0,28 МПа.

В ходе модернизации существенные изменения были внесены в конструкцию основных компонентов двигателя (см. рис. 4.68). Что касается конструкции цилиндра, то в целом сохранена традиционная конструкция втулки «мокрого типа» — с охлаждением ее наружной поверхности. Втулка изготавливается из специального чугуна, обладающего высокой износоустойчивостью. Особое внимание уделено организации подачи и распределения масла по поверхности зеркала цилиндра и распределению температур по поверхности, особенно поддержанию высоких температур при работе на малых нагрузках.

Конструкцию крышки фирме пришлось пересмотреть с позиции увеличения ее жесткости и уменьшения деформаций, особенно в зоне клапанов, учитывая, что для обеспечения эффективного сгорания тяжелых топлив потребовалось пойти на увеличение температур и давлений в рабочем цилиндре (P_z = 16 МПа). Решение задачи обеспечения высокой надежности и ресурса выхлопных клапанов при переводе двигателя на тяжелые топлива традиционно считается одной из важнейших и серьезных задач.

При модернизации цилиндровой крышки нижнее и верхнее днища стали более массивными (рис. 4.69), особое внимание было уделено распределению температур в огневом днище и интенсификации охлаждения зоны седел выхлопных клапанов. Это потребовалось в целях уменьшения натрий-ванадиевой (высокотемпературной) коррозии. В итоге температура огневого днища в этой зоне не превышает 230°С.

Седла вставные со стеллитовой наплавкой, возможно изготовление выхлопных клапанов из Нимоника. Для увеличения ресурса клапанов в их привод введен механизм проворачивания. Снижению температур как выпускных, так и впускных клапанов способствовал также подбор оптимальной фазы продувки (перекрытия клапанов).

Поршень цельнолитой, изготавливается из чугуна со сфероидальным графитом (рис. 4.70). 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. Чугунный поршень обладает следующими преимуществами:

• меньшее тепловое расширение, что позволяет сократить зазор между поршнем и втулкой и тем самым избежать большого прорыва газов, сдувания масляной пленки и вызванного этим износа втулки;
• 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 головке. При этом конструкция поршневого пальца предусматривает наличие компактной концевой пробки. Охлаждение поршня позволяет поддерживать температуру в районе канавок на уровне, не превышающем 200°С, что способствует предотвращению образования в канавках нагара и заклинивания в них поршневых колец.

В поршнях двигателей Wartsila практически всех моделей организована оригинальная, запатентованная фирмой система подачи масла на смазку цилиндров. Часть масла, поступающего 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 (рис. 4.70). Подобный метод подвода масла в сравнении с традиционными методами обеспечивает:

• меньшее замасливание канавок компрессионных колец и исключение образования в них нагара;
• уменьшение износов благодаря созданию эффективной смазки колец;
• гарантированное сохранение масляной пленки в зазоре «поршень — втулка», что повышает эффективность борьбы щелочных присадок масла с сернистой электрохимической коррозией.

В целях повышения износостойкости поршневых колец, включая и маслосъемное, на их рабочую поверхность нанесен слой пористо-хромового покрытия.

Стержень шатуна имеет круглое сечение, что обеспечивает более полное использование материала. В конструкции шатунного подшипника применен косой разъем (см. рис. 4.68), что позволяет увеличить диаметр подшипника в целях снижения удельных нагрузок на подшипниковый сплав и одновременно осуществлять демонтаж поршня с шатуном через цилиндр. Крышка подшипника крепится двумя шатунными болтами, затяг которых осуществляется гидравлическими домкратами, обеспечивающих заданное усилие затяга.

Для снижения негативных эксплуатационных факторов на работу двигателей малой размерности при отработке конструкции подшипников конструкторы стремились закладывать в них большие запасы надежности. Антифрикционный сплав для 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 кавитационным воздействиям.

Распределительный вал составной и изготовлен из отдельных сегментов. Между сегментами располагаются подшипниковые узлы. Все сегменты и подшипники идентичны и в случае износа могут заменяться по отдельности. С учетом существенного роста давлений впрыска до 150 МПа коленвал изготовлен более массивным и жестким.

Что касается топливной аппаратуры, то конструкция насоса высокого давления применительно к использованию в двигателе тяжелого топлива была полностью пересмотрена, но это не исключило возможность использования насоса при работе на маловязких топливах. Высокие давления впрыска потребовали внесения в конструкцию ТНВД следующих изменений (рис. 4.71a):

• втулка плунжера и крышка насоса усилены и представляют собой единую деталь. Такое решение существенно уменьшает деформацию втулки под действием высоких давлений, что повышает эффективность работы плунжерной пары и уменьшает протечки топлива и появление фреттинг-коррозии;
• для разгрузки топливопровода высокого давления в период между впрысками используется специальный невозвратный клапан, который разгружает топливопровод до давления в 10 МПа 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.

Плунжерная пара в нижней части уплотняется маслом, поступающим из масляной магистрали, что исключает проникновение утечек топлива в зону толкателя плунжера и оттуда в картер двигателя, где оно может смешиваться с циркуляционным маслом.

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 ТК не успевает набрать необходимых оборотов и производительности.

Помимо механического устройства, предотвращающего разнос двигателя, на каждом топливном насосе установлено электропневматическое устройство выключения подачи топлива. На двигателях дизель-генераторов устанавливаются электронные регуляторы.

Топливная форсунка (рис. 4.716) имеет многодырчатый охлаждаемый маслом распылитель. Подвод топлива от ТНВД осуществляется сбоку посредством адаптера, проходящего через крышку цилиндра и изготовленного из одной заготовки совместно с трубкой высокого давления.

Охлаждение распылителя осуществляется маслом от отдельной системы, что позволяет поддерживать его температуру на оптимальном уровне и благодаря этому избежать отложений нагара на соплах и их коррозии. В частности, при пуске холодного двигателя во избежание холоднотемпературной коррозии кончика сопла распылитель подогревается. Для этого предусмотрен электрический подогрев подаваемого в форсунку масла. Скругление входных кромок сопловых отверстий форсунки позволило существенно уменьшить их эрозионное изнашивание и тем самым увеличить срок службы соплового распылителя.

Для обеспечения подачи необходимого количества продувочного воздуха, заданного давления и температуры двигатель снабжен системой турбонаддува. Выбор схемы наддува дизеля в большой степени зависит от ожидаемых в эксплуатации режимов его работы. В двигателях, работающих на топливах, содержащих тяжелые углеводороды, чтобы избежать быстрого загрязнения проточных частей турбокомпрессоров, необходимо обеспечить их эффективную промывку в процессе работы. Опыт показывает, что только аксиальные турбины меньше загрязняются и легко промываются. Этим объясняется то, что большинство дизелестроительных фирм, включая и Wartsila, в своих двигателях отдают 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 турбокомпрессора.

Особое внимание в двигателе было обращено на выхлопную систему. Выхлопные трубопроводы при работе испытывают нагрузки, вызываемые 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.

Двигатель Wartsila L20

Двигатели этого модельного ряда в последние годы полностью заменили двигатели 22-й модели. В основу разработки были положены конструктивные решения и опыт эксплуатации на тяжелом топливе двигателя 22HF. Двигатели типа L20 (ЧН20/28) представляют собой новое поколение, конструкция которого позволяет обеспечить эффективную работу на тяжелых топливах, низкую стоимость производства, монтажа и эксплуатации, легкость технического обслуживания, низкий уровень вредных выбросов.

Дизель Vasa L20 является четырехтактным дизельным двигателем с промежуточным охлаждением надувочного воздуха, турбонаддувом и прямым впрыском топлива. Конструкция остова двигателя базируется на принципе моноблочности (рис. 4.72).

При этом блок цилиндров выполнен цельнолитым. Количество комплектующих деталей существенно сокращено путем объединения ряда деталей в моноблоки, внешние трубопроводы в основном заменены на сверления в блоках. Рамовые подшипники подвесного типа. Крышки рамовых подшипников крепятся двумя вертикальными и двумя горизонтальными винтами, которые имеют гидравлическую затяжку.

Ресивер продувочного воздуха и коллектор охлаждающей воды отлиты заодно с блоком цилиндров. Крышки картера сделаны облегченными из алюминиевого сплава и снабжены резиновыми прокладками во избежание протечек. Поддон картера приварен к блоку цилиндров.

Для обеспечения подвода воздуха из ресивера в крышку цилиндра, отвода газов в выхлопную систему, а охлаждающей воды из цилиндровой крышки в отводной канал, патрубки различного назначения объединены в моноблок. Который также обеспечивает придание воздуху вращательного движения для оптимизации сгорания топлива на малых нагрузках, охлаждение и изоляцию выхлопного патрубка и крепление выхлопной системы на двигателе.

В конструкции двигателя резко уменьшено количество резьбовых соединений, ряд соединений заменен на самоуплотняющиеся скользящие посадки, что сокращает объем монтажных работ при техническом обслуживании. Так, крышка цилиндра может быть снята без разъединения и разборки патрубков подвода и отвода охлаждающей воды, наддувочного воздуха и масла.

Стабильная подача топлива, осуществляемая при высоких давлениях впрыска (Р_вп = 120 МПа и давление открытия иглы форсунки — 45 МПа), и реализация рабочего процесса с высокими Р_z = 17-19 МПа обеспечили хорошую экономичность в широком диапазоне нагрузочных режимов дизеля (в среднем g_e = 183 г/(кВт•ч) на 85% нагрузки).

Крышка цилиндра отлита из специального чугуна и имеет жесткую коробчатую конструкцию, 4-клапанная с тремя днищами. Особое внимание обращено на охлаждение огневого днища и зоны выхлопных клапанов во избежание их высокотемпературной коррозии. Крышки двухуровневые, охлаждающая вода подается от краев к центру, обеспечивая эффективное охлаждение важных областей. Впускные клапаны имеют хромированные штоки. Посадочные места клапанов, сделанные из специального сплава на основе чугуна.

Втулка цилиндра обладает минимальными деформациями как благодаря собственной жесткости, так и за счет прочности и жесткости посадочных поясов блока цилиндров. В головке располагается камера сгорания типа Гессельмана, характеризующаяся высоким воротником, защищающим попадание струи распыливаемого топлива на зеркало цилиндра.

Охлаждение цилиндровой втулки оптимизировано так, чтобы поддерживать нужную температуру поверхности. Температурный уровень внутренних поверхностей втулки сохраняется в пределах (120-160°С) за счет интенсификации вращательного движения охлаждающей воды в зоне, располагающейся ниже посадочного фланца.

Поршни составного типа со стальной кованой головкой и с литым тронком из сфероидального графита, обладающего отличными антиизносными свойствами и малым тепловым расширением, что дает возможность работать с малыми зазорами в цилиндре. Поршневые кольца (два компрессионных и одно маслосъемное) имеют антифрикционные покрытия (хромированы). Канавка верхнего поршневого кольца цементирована.

Головка поршня охлаждается маслом, поступающим в нее по сверлению в стержне шатуна. В зазор между поршнем и втулкой цилиндра в дополнение к маслу, попадающему на цилиндр путем разбрызгивания, организована специальная подача масла через тронк поршня (см. рис. 4.70). Это обеспечивает наличие гарантированного количества масла между трущимися поверхностями поршня и втулки и предохраняет в экстремальных случаях от образования задиров и повышенных износов.

Для очистки боковой поверхности головки поршня от откладывающегося на ней нагара и исключения риска полировки поверхности, что приводит к ее повышенному износу, втулка имеет счищающее (антиполировочное) кольцо (рис. 4.73). Рабочую поверхность втулок цилиндров рекомендуется перехонинговывать через 12000 часов.

Шатун двутаврового сечения стальной штампованный и сделан из двух кованых половинок. Нижний конец разъемный, а сопрягаемые поверхности зубчатые. Верхняя головка шатуна имеет ступенчатую форму. Поскольку наибольшие нагрузки несет нижняя половина подшипника, ее ширина увеличена. Ширина верхней половины меньше, что дает возможность соответственно развить опорную поверхность бобышек поршня. Поршневой подшипник запрессован, чтобы получить большую поверхность контакта.

Мотылевый подшипник имеет косой разъем и два шатунных болта, затяг которых обеспечивается гидравлическими домкратами. Подшипники двух- или трехслойные, полностью взаимозаменяемые.

Поскольку двигатели L20 выпускаются только в рядном исполнении и на мотылевой шейке располагается один шатун, необходимость в сокращении ширины мотылевого подшипника отсутствует, и это позволило увеличить ширину подшипника и существенно снизить величину удельных давлений.

ТНВД золотникового типа, давление впрыска 140 МПа. Корпус насоса интегрирован в общий блок с системой подачи топлива низкого давления и с направляющими клапанов (рис. 4.74).

Вкладыши подшипников рамовых и мотылевых двух- или трехслойные, подшипник головного соединения бронзовый. Рамовые подшипники полностью взаимозаменяемы. Смена их происходит после отдачи нижней крышки подшипника. Коленчатый вал выполнен цельнокованым и уравновешен противовесами.

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 останавливаться на тяжелом топливе без перехода на маловязкое.

Двигатель Vasa 46, 64, 26 и 38

Перечисленное семейство двигателей прошло ряд модернизаций и сегодня по своим параметрам и конструктивному исполнению может быть отнесено к новому поколению двигателей Wartsila.

Двигатель типа Vasa 46 (ЧН46/58) установлен на ряде новых судов. Дизель отличается компактностью, высокой надежностью и моторесурсом, заложенными в его конструкцию (рис. 4.75, 4.76а), достигнутыми за счет усовершенствования ряда узлов. Чтобы обеспечить сжигание тяжелых топлив, повышены: температура процесса сгорания за счет увеличения степени сжатия и температуры воздуха на входе; максимальное давление сгорания. Давление впрыска топлива доведено до 200 МПа.

При проектировании коленчатого вала было проведено расчетное исследование влияния на прогиб шатунной шейки величины максимального давления цикла и отношения хода поршня к диаметру цилиндра.

Необходимо отметить, что деформация цилиндровых втулок, обусловливающая нарушение их цилиндрической формы, обычно происходит под действием напряжений, возникающих при затяге крышечных шпилек, а также под влиянием механических и термических нагрузок, испытываемых втулкой при работе двигателя. Учитывая, что уровень форсировки современных двигателей существенно повысился (Р_е = 2,5-3,0 и Р_z = 16,0-18,0 МПа), при проектировании цилиндровых втулок фирма Wartsila в целях уменьшения механических напряжений стала изготавливать втулки с высоким мощным опорным фланцем (рис. 4.76 б).

Одновременно, чтобы избежать роста температурных напряжений в связи с утолщением металла в верхней части втулки и сохранить температуру рабочей поверхности цилиндра не выше 160 °С (температура, выше которой интенсифицируется полимеризация масла, нагаро- и лакообразование), охлаждающая вода приближена к внутренней охлаждаемой поверхности путем использования сверлений в опорном бурте. Это обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости и заданную интенсивность теплоотвода.

Такое техническое решение позволяет обеспечить требуемую интенсивность охлаждения втулки цилиндра путем подбора соответствующих размеров и количества охлаждающих каналов. Это обеспечивает регулирование температуры зеркала втулки цилиндра и поддержание ее на внутренней поверхности у верхнего торца втулки цилиндра на уровне 240°С. В верхней части втулки устанавливается счищающее антиполировочное кольцо.

Крышки цилиндров двигателя типа Vasa 46 изготовлены из серого чугуна. Днище со стороны камеры сгорания относительно тонкое (рис. 4.77). Для улучшения процесса сгорания тяжелых сортов топлива необходима подача большого количества воздуха, что предусмотрено в конструкции крышки. Интенсивное внутреннее охлаждение осуществляется через радиальные каналы путем подвода охлаждающей жидкости в направлении от периферии к центру потоков.

Поршень составной со стальной охлаждаемой маслом головкой и чугунной юбкой (рис. 4.78а). Юбки в целях сохранения ими цилиндрической формы разгружены от механических нагрузок: последние передаются от донышка поршня непосредственно на бобышки поршневого пальца. В целях выравнивания температуры головки поршня в нее заливается масло и охлаждение осуществляется взбалтыванием.

В более поздних конструкциях — охлаждение циркуляционным проточным маслом, поступающим по сверлению в шатуне (рис. 4.78 6). Из головного подшипника масло через палец и бобышки направляется непосредственно в головку поршня.

Смазка тронка и втулки цилиндра осуществляется этим же маслом, поступающим через 4 дозирующих сопла в канавку, расположенную в верхней части юбки ниже маслосъемного кольца. Поршневые кольца хромированные, поршневые канавки подвергнуты закалке и шлифованы в целях повышения их износоустойчивости.

В двигателях модели Vasa 64 в целях повышения износостойкости верхнее компрессионное кольцо на рабочей поверхности имеет хромо-керамическое покрытие, верхняя горизонтальная поверхность покрыта хромом, а нижняя подвергнута закалке. На рабочую поверхность второго компрессионного кольца также нанесен слой хромокерамики. Поверхности канавок подвергнуты индукционной закалке. В ранних моделях двигателей устанавливались 2 компрессионных и 2 маслосъемных кольца, в новых ограничиваются одним маслосъемным кольцом.

В современных моделях 38, 46 и 64 стали применяться шатуны с нижними головками морского типа (рис. 4.79) и прямым разъемом. Подобное решение позволило увеличивать диаметр мотылевой шейки независимо от диаметра цилиндра и осуществлять демонтаж поршня вместе с шатуном без разборки мотылевого соединения.

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.

Вкладыши мотылевых и рамовых подшипников трехслойные, верхний слой представляет собой сплав антимонит, изготавливаемый на основе олова Sn и сурьмы Sb, обладающий высокими антифрикционными и антикоррозионными свойствами, что увеличивает срок eгo 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.

В целях улучшения работы двигателя на малых нагрузках применено устройство изменения угла опережения подачи топлива, а в двигателе R46 реализован двухступенчатый впрыск топлива, с помощью установленных в цилиндровой крышке основной (рис. 4.80а) и дополнительной форсунок (см. рис. 4.77). Температура распылителей регулируется поступающим в корпус форсунок маслом.

У дизеля Vasa 46 топливный насос (рис. 4.806), подводящие и нагнетательные трубопроводы имеют слив в закрытом пространстве за легкосъемной крышкой. В результате этого во время подготовки и прогрева все элементы топливной системы перед пуском приобретают достаточно высокую температуру. Кроме того, указанная закрытая конструкция повышает пожарную безопасность.

Турбонаддув осуществляется с использованием турбоагрегатов Asea Brown Воvегу серии VTR. В зависимости от назначения двигателя и характера превалирующих в эксплуатации режимов применяются следующие варианты организации наддува:

• наддув при постоянном давлении газов перед турбиной (главные двигатели, в основном работающие в условиях постоянного длительного нагружения);
• наддув импульсный (двигатели главные и вспомогательные, работающие в условиях часто меняющихся нагрузок);
• наддув комбинированный — SPEX (Swirl-Puls-Exhaust), в котором одновременно используются преимущества импульсного наддува (хорошее обеспечение двигателя воздухом на режимах малых нагрузок и на переходных режимах) и наддува при постоянном давлении (более высокая эффективность использования энергии газов на режимах полных нагрузок).

Сущность системы наддува SPEX состоит в том, что все цилиндры работают, как и при наддуве Р_s = const, на один выхлопной коллектор, но его объем существенно меньше (рис. 4.81). Вход выхлопных импульсов осуществляется по касательной, и движение газов по коллектору приобретает вращательное движение (Swirl). Таким образом, кинетическая энергия импульсов не теряется на расширение в коллекторе и 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 интерференция, обычно препятствующая продувке цилиндров.

Особенностью компоновки систем, обслуживающих ДВС, является то, что они полностью интегрированы в отдельные компоненты двигателя и внешние трубы практически отсутствуют.

Система охлаждения состоит из двух контуров — высокотемпературного (охлаждение цилиндров) и низкотемпературного (охлаждение наддувочного воздуха и циркуляционного масла). В высокотемпературном контуре на выходе из двигателя поддерживаются высокие температуры (95°С), чтобы обеспечить воспламенение и сгорание тяжелых топлив, особенно на малых нагрузках. Этой же цели служит подогрев наддувочного воздуха на малых нагрузках, осуществляемый подачей горячей воды ВТ контура во вторую ступень воздухоохладителя (рис. 4.82).

При понижении нагрузки ниже 35% терморегуляторы, поддерживающие температурные уровни в контурах охлаждения, перенастраиваются на более высокие уровни — в высокотемпературном контуре на +20-30°С, в низкотемпературном на +40-50°С.

Это позволяет сохранять температуру металла цилиндров на высоком уровне и избежать их низкотемпературной коррозии, а подогрев наддувочного воздуха в воздухоохладителях обеспечивает на малых нагрузках высокие температуры сжатия и, следовательно, надежное воспламенение и качественное сгорание топлива.

Для подогрева холодного двигателя перед пуском вода ВТ контура направляется во встроенный в систему подогреватель. Охлаждение воды обоих контуров осуществляется в водо-водяных холодильниках прокачиваемой через них забортной водой. Все насосы имеют механический привод от коленчатого вала двигателя.

В состав системы смазки (рис. 4.83) входят главный масляный шестеренчатый насос с приводом от двигателя, электроприводной насос предпусковой прокачки, маслоохладитель, полнопоточный самоочищающийся (обратным потоком) сетчатый фильтр и встроенный байпасно центробежный маслоочиститель. Последний обеспечивает более глубокую очистку масла от мелкодиспергированных частиц механических примесей, являясь индикатором степени его загрязнения.

При разработке дизелей большое внимание уделялось вопросам удобства технического обслуживания. У двигателя Vasa 46 при помощи гидравлических приспособлений затягивают все большие болты, устанавливают подшипники газораспределительного вала, демонтируют крышки коренных и шатунных подшипников. Этот дизель снабжен специальным устройством для промывки турбины. Составная конструкция газораспределительного вала позволяет производить его монтаж и демонтаж по частям с боковой стороны дизеля.

Для уменьшения вибрации при работе двигателя и снижения вибрационных нагрузок на элементы конструкции остова фирма при установлении дизелей на фундамент использует оригинальной конструкции резинометаллические амортизационные устройства (рис. 4.84). Через них и специальный кронштейн осуществляется крепление фундаментной рамы к судовому фундаменту.

Необходимо отметить, что если раньше увеличение мощности двигателя шло по пути увеличения числа оборотов, то сейчас форсировка осуществляется путем увеличения Ре за счет наддува. Уровень форсировки рабочего процесса был увеличен до Р_е = 2,6-2,9 МПа и Р_z = 16,5-18,5 МПа, повышены экономичность и моторесурс (до 24000 часов), снижена эмиссия выхлопа и двигатели приспособлены к сжиганию тяжелых и легких топлив.

Это потребовало установки новых более эффективных газотурбокомпрессоров и реорганизации рабочего процесса путем внедрения аккумуляторной системы топливоподачи или установки двухплунжерных топливных насосов высокого давления (двигатель типа L64). При этом произошли изменения в законе подачи топлива, ее продолжительности и качестве распыливания.

В предложенном двухплунжерном насосе (рис. 4.85) левый плунжер изменяет угол опережения, а правый - отмеривает величину цикловой подачи. Когда оба плунжера находятся в нижней части втулок, происходит наполнение насоса (поз. 1). Затем плунжер, управляющий подачей, перекрывает отсечное окно, излишнее топливо уходит через наполнительное окно (поз. 2). В следующий момент оба окна перекрыты, начинается подача топлива к форсунке (поз. 3). И наконец, отсечное окно открывается, начинается отсечка — конец подачи (поз. 4).

Такая конструкция позволяет устанавливать угол опережения независимо от подачи, оптимизировать закон подачи и параметры впрыска в функции режима путем перераспределения подачи между плунжерами. Наличие двух плунжеров позволяет уменьшить их диаметр, что влечет за собой снижение механических нагрузок на привод и втулки плунжерных пар.

Значительное внимание было уделено внедрению в конструкцию современных систем электроники, осуществляющих контроль и диагностику судового ДВС. Особое внимание было уделено проблемам эмиссии выхлопных газов, и в первую очередь содержанию в них окислов азота. Это позволило фирме при организации рабочего процесса использовать самые современные методы снижения концентрации вредных выбросов при работе дизеля: оптимальные продолжительность подачи топлива и соотношение «воздух — топливо»; подача мелкораспыленной воды в продувочный воздух или непосредственно в камеру сгорания цилиндра; рециркуляция отработанных газов; каталитическая обработка отходящих газов на выходе из двигателя.

Двухтопливный дизель L50 DF

Фирмой Wartsila были разработаны и промышленно освоены двигатели, работающие на природном газе. Однако сдерживающим фактором их использования на судах является высокая их взрыво- и пожароопасность. Особое место занимают двигатели L32DF и L50DF (Dual - Fuel), являющиеся двухтопливными двигателями, работающими по дизельному циклу с использованием как дизельного топлива, так и газообразного.

Переход двигателя с одного вида топлива на другой осуществляется автоматически и практически мгновенно вне зависимости от режима, на котором он работает.

Двигатель фирмы Wartsila L50DF (ЧН50/58) имеет цилиндровую мощность 950 кВт при 514 мин ^-1. Двигатели выпускаются в рядном (6, 8 и 9 цилиндров) и V-образном (12, 16 и 18 цилиндров) исполнении. Они могут автоматически переключаться с тяжелого топлива на газ и обратно при работе на полной мощности.

Применение двухтопливных двигателей в качестве главных и вспомогательных агрегатов газовозов обеспечивает значительные преимущества пo сравнению с паротурбинными установками в отношении экономии топлива, снижения вредных выбросов и повышения надежности за счет резервирования.

При использовании газового топлива двигатель Wartsila L50DF работает по циклу Отто, при этом газ поступает в ресивер под давлением менее пяти 0,5 МПа. На ходе всасывания газ попадает в цилиндры через индивидуальные впускные каналы, где смешивается с воздухом, образуя готовую рабочую смесь, заполняющую камеру сгорания.

Надежное зажигание газовоздушной смеси обеспечивается за счет впрыска непосредственно в камеру сгорания пилотного дизельного топлива, которое воспламеняется от сжатия и поджигает газовоздушную смесь, причем на дизельное топливо приходится менее 1% выделяющегося при сгорании тепла.

Литература

Судовые дизельные двигатели. Осипов О. В., Воробьев Б. Н. (2018)

• Системы продувки двухтактных двигателей
• Рабочие циклы двухтактных двигателей
• Рабочие циклы четырёхтактных двигателей
• Основные данные двигателей: рабочий объем цилиндра
• Классификация и маркировка двигателей