Германская фирма МаК (ныне МаК — Caterpillar) входит в число ведущих по выпуску современных ПОД и СОД. Представляют несомненный интерес концепции фирмы по модернизации выпускаемых моделей и созданию новых поколений длинноходовых двигателей.
Среднеоборотные четырехтактные двигатели, известные под маркой МаК, ранее выпускались известным немецким концерном «Крупп-МаК GmbH», в последующем акции группы «MaK-Motoren» приобрела компания Caterpillar, и двигатели выпускаются ее подразделением Caterpillar Motoren GmbH. Программа производства фирмы МаК включает в себя шесть базовых моделей четырехтактных тронковых различного диаметра двигателей. Мощностной ряд двигателей охватывает диапазон 1000-16 200 кВт. Все двигатели с турбонаддувом и могут работать как на дизельных сортах, так и на тяжелых с вязкостью до 700 сСт. На судах применяются в качестве главных с приводом гребного винта через реверс-редукторы и для привода генераторов судовых электростанций.
Первые двигатели серии М (М20) имели рядное шести-, восьми- и девятицилиндровые исполнение. В дальнейшем были разработаны и поставлены на производство дизели М25, М32 и М43. Фирмой МаК на базе существующих двигателей были созданы и длинноходовые модели дизелей, в частности М32 (размерность 32/48 вместо 32/42 со всеми присущими таким моделям достоинствами (снижение удельных расходов топлива и масла на yгap, обеспечение прежних мощностей при пониженной частоте вращения: 600 вместо 750 мин-1, повышение надежности, ресурсов)).
В последнее время двигатели большого диаметра серий М601С и М552С также прошли модернизацию; по компактности, мощности, прочности, простоте профилактики и обслуживания, малому расходу топлива они являются надежной альтернативой двухтактным крейцкопфным двигателям аналогичной мощности. Это относится и к двигателям модели М43 — последней разработке фирмы МаК (самая мощная модель изготовляется в рядном и V-образном исполнении агрегатной мощностью 5400—16 200 кВт при частоте вращения 500-514 мин-1). Большая цилиндровая мощность позволяет применять указанные выше мощностные модели на судах практически любых типов.
Несмотря на то что владельцем фирмы стал американский концерн Caterpillar, за фирмой сохранена ее торговая марка МаК.
Двигатели МаК М25
При разработке концепции дизеля М25 (ЧН25, 5/40) фирма ориентировалась на конструктивные особенности поколения двигателей с большим ходом поршня (М20 и М32), поскольку новый принцип конструкции хорошо зарекомендовал себя в эксплуатации. Двигатель М25 предназначен для привода гребных винтов и бортовых энергетических установок. Он может работать как на дизельном, так и на тяжелом топливе.
Двигатель М25 проектировали с таким расчетом, чтобы на базе имеющихся технологий можно было перейти к последующему повышению цилиндровых и агрегатных мощностей без изменения размеров подшипников, толщины стенок, диаметров валов, шестерен и т. д. Особое значение придавалось повышению эффективности его использования по следующим аспектам:
- эксплуатационной надежности (благодаря предотвращению коррозии и уменьшению механического износа);
- низким эксплуатационным расходам, за счет высокой экономичности, возможности использования тяжелого топлива, малого расхода масла на угар, длительного срока службы деталей, уменьшения трудозатрат при обслуживании;
- оптимальному экологическому режиму в соответствии с предписаниями международных стандартов (форма камеры сгорания, эффективный наддув и впрыск топлива, увеличенный ход поршня).
Основные технические особенности конструкции дизеля заключаются в следующем (рис. 4.96). Несущий блок-картер жесткой конструкции выполнен из чугуна с шаровидным графитом. Поперечные соединения резьбой между блок-картером и крышками подшипников (шпрентельные шпильки) обеспечивают дополнительную жесткость.
Блок-картер не имеет полостей охлаждающей воды, поэтому коррозионные повреждения исключены. Цилиндровая втулка охлаждается только там, где это наиболее необходимо — в верхней части вокруг камеры сгорания. Канал наддувочного воздуха встроен в блок-картер, и надувочный воздух поступает по каналам блок-картера и рубашки водяного охлаждения в крышке цилиндра к впускным клапанам. При проведении работ на крышке цилиндра отпадает необходимость в монтаже или демонтаже трубопровода надувочного воздуха, следовательно, исключаются какие-либо неплотности в соединении трубопровода или его разрушение. Распределительный вал также встроен в блок-картер.
Для уменьшения трения и износа толкатели клапанов и ТНВД приводятся в действие промежуточным рычагом. Для изменения по времени открытия клапанов или смещения момента впрыска топлива эти рычаги легко регулируются путем их установки на валу с эксцентриком (или введением элементов электронного управления).
Маховик и приводная шестерня распределительного вала установлены на коленчатом валу с помощью конусной муфты методом горячей запрессовки. На стороне, противоположной муфте, установлен демпфер крутильных колебаний. Все шестерни управляющего привода закалены.
Составной поршень имеет верхнюю часть стальную, а нижнюю чугунную с шаровидным графитом, чтобы обеспечить надежную передачу сил и давления газов до 19 МПа и выше. Ручьи в верхней части поршня для двух уплотнительных и одного маслосъемного колец проходят индукционное закаливание. Рабочая поверхность верхнего кольца покрыта специальным антиизносным слоем и имеет отшлифованную сферическую форму. Такое исполнение ручьев и колец обеспечивает длительный срок службы и низкий расход масла.
Цилиндровая втулка благодаря жесткому опорному бурту устойчива к деформации, она снабжена калибровочной вставкой, предотвращающей отложения кокса на втулке, что также увеличивает срок ее службы и обеспечивает низкий расход масла на угар.
Наиболее многофункциональным узлом двигателя М25 является крышка цилиндра. Она также изготовляется из чугуна с шаровидным графитом и благодаря двойному днищу обладает высокой жесткостью. За счет определенной формы камеры сгорания выпускные клапаны подвергаются интенсивному охлаждению. Два впускных и два выпускных клапана кинетически связаны общим коромыслом, что облегчает установку зазора в приводе. Крышку затягивают четырьмя болтами с помощью гидравлического инструмента.
Интенсивный впрыск топлива на двигателе М25 реализован со следующими особенностями: высокое давление и кратковременность впрыска; большое число сопловых отверстий форсунки малого диаметра со специальной обработкой (закругленные входные кромки сопловых отверстий; короткие трубопроводы высокого давления). Увеличен срок службы поршней и выпускных клапанов благодаря их низкому уровню тепловой напряженности.
Камера сгорания выполнена просторной, чтобы процесс распределения объема топливовоздушной смеси получился оптимальным. Геометрически заложенная высокая степень сжатия обеспечивает низкую эмиссию окислов азота и оптимальный процесс вспышки даже самых плохо воспламеняемых сортов топлива.
Что касается воздухоснабжения на двигателе М25, то оно обеспечивается турбокомпрессором с высоким КПД при высокой степени сжатия и достаточном избытке воздуха. Этим обусловлены низкие температуры узлов и показатели эмиссии окислов азота, незначительное дымообразование. Импульсный наддув предотвращает термическую перегрузку на режимах частичной нагрузки.
Низкие показатели по эмиссии вредных выбросов дизелей данного типа были получены за счет конструктивных изменений в двигателе, таких как большое отношение S/D, высокая степень сжатия, интенсивный и направленный впрыск топлива, оптимизированное управление фазами газораспределения, высокое максимальное давление рабочего цикла.
Двигатели МаК М32
Двигатели имеют высокие показатели надежности и моторесурса. Существующие показатели по расходу топлива и масла действительны при соблюдении рекомендаций фирмы по условиям использования и технического обслуживания двигателей. С машины этого ряда М32 (ЧН32/48) фирма перешла на выпуск длинноходовых двигателей с S/D = 1,4-1,5.
Остов двигателя представляет собой монолитный чугунный сухой блок- картер (рис. 4.97). На верхнюю плоскость блока устанавливается высокая рубашка, сверху на нее опирается крышка цилиндра, и между ними образуется полость охлаждения. Часть воды (до крышки) отбирается на охлаждение турбокомпрессора. В последней модификации турбокомпрессор не охлаждается, что исключает возможность коррозии его корпуса.
Шатун стальной круглого сечения, нижняя головка с косым разъемом. Вкладыши мотылевых и рамовых подшипников тонкостенные двух- или трехслойные, применяются также подшипники канавочного типа. В целях облегчения приработки подшипников фирма прибегает к электролитическому покрытию вкладышей мягким цинком или оловом, толщиной несколько тысячных миллиметра. В верхнюю часть втулки цилиндра устанавливается антиполировочное кольцо, поверхность втулки азотирована.
Цилиндровая крышка выполнена цельной из чугуна с шаровидным графитом (рис. 4.98). Имеет тонкое днище со стороны камеры сгорания и отверстия для размещения 4 клапанов. Коленчатый вал цельнокованый подвесной. Распределительный вал составной и состоит из секций по числу цилиндров, что существенно упрощает eгo демонтаж и замену отдельных секций. Поршень составной (головка стальная, юбка алюминиевая) охлаждаемый. В головке располагаются два компрессионных и одно маслосъемное кольца. Ручей первого кольца для повышения износостойкости упрочнен. На рабочую поверхность кольца нанесено противоизносное покрытие. Срок службы колец достигает 30 тыс. ч.
Что касается топливной аппаратуры, то форсунки многодырчатые, охлаждаемые маслом, отбираемым из общей системы смазки. ТНВД золотникового типа фирмы Bosh с регулированием по концу подачи. Привод плунжера ТНВД осуществляется через рычаг с роликом, сидящим на оси с эксцентриком, поворот которой механически связан с тягой управления подачей топлива. Поворот эксцентриковой оси вызывает продольное перемещение ролика рычага относительно топливного кулачка.
Турбонаддув, ранее организованный по импульсной схеме, в двигателях нового поколения фирма заменила на наддув при Рт = const. Давление наддува на режиме полной мощности составляет 0,325 МПа, температура воздуха за воздухоохладителем 45 °С.
Двигатели МаК М32С, М43, М552С
Модельный ряд двигателей М32С появился в результате модернизации двигателя М32. Выпускается в 6-, 8- и 9¬цилиндровом исполнении (ЧН32/48-рядные) и с 12, 16 цилиндрами V-образные (ЧН32/42). Цилиндровая мощность порядка 480-500 кВт при 720-750 мин-1 Ре = 2,37-2,49 МПа, Рz = 19 МПа. Высокий уровень форсировки двигателя обеспечивает значение Ре, близкое к 2,5 МПа, а максимальное давление сгорания находится на верхнем для данного класса двигателей уровне. Следует ожидать, что и температуры цикла также достигают весьма высоких значений.
По конструкции двигатель (рис. 4.99) во многом идентичен ранее рассмотренной модели. Значительное внимание при модернизации двигателя было уделено упрощению технического обслуживания за счет интегрирования отдельных элементов в модули. Для исключения внешних трубопроводов значительная их часть была размещена в блоке цилиндров. Штуцерные соединения заменены на легко демонтируемые соединения. Все эти изменения позволили существенно упростить и сократить операции по техническому обслуживанию и ремонту ДВС.
Последняя конструкторская новинка фирмы МАК — дизели серии М43 (ЧН43/61). Судовые тронковые двигатели этого модельного ряда выпускаются в 6-18-цилиндровом исполнении и покрывают диапазон возможных мощностей от 5400 до 16 200 кВт. По своему конструктивному исполнению двигатель подобен ранее выпускавшимся фирмой двигателям МаК20, МаК32 и создавался с использованием опыта их производства и эксплуатации (рис. 4.100).
К конструктивным особенностям двигателя относится использование шатуна с разъемом стержня с верхней головкой, что позволяет уменьшить монтажную высоту и упростить операции по демонтажу поршня и мотылевого подшипника. Для производства последней операции нет необходимости в демонтаже крышки цилиндра и выемке поршня из цилиндра. Кормовой рамовый подшипник в целях его усиления и упрощения монтажа изготавливается из двух частей.
После проведения модернизационных работ серия среднеоборотных дизелей М552 получила обозначение М552С (ЧН45/52). Главными задачами, решаемыми при модернизации, были снижение удельного расхода топлива, повышение надежности и упрощение технического обслуживания. Снижение расхода топлива было достигнуто приближением реального процесса сгорания к процессу подвода теплоты при постоянном давлении с сохранением возможно меньшего значения Pz и высокой степени сжатия (Pz/Pe = 7,0-7,5), которая легко достигается увеличением хода поршня к диаметру цилиндра, так как повышение максимального давления сгорания для повышения экономичности цикла приводит к росту нагрузок на шейки коленчатого вала и большим механическим потерям. При этом снижение механического КПД может в значительной степени уменьшить эффект, получаемый от повышения эффективности термодинамического цикла при модернизации.
В целях повышения надежности для ряда компонентов дизелей серии М552С приняты новые материалы. Остов дизеля, включающий в себя фундаментную раму, станину и блок цилиндров, отливается из чугуна с шаровидным графитом (рис. 4.101 ). Усталостная прочность этого чугуна при динамических нагрузках в 3 раза, а сопротивление разрыву в 8 раз выше, чем у ранее применявшегося серого чугуна.
Конструкция остова дизеля приобретает таким образом высокую жесткость, что обеспечивает сохранение параллельности осей цилиндров во время эксплуатации в весьма узких пределах и тем самым благоприятно влияет на работу поршней и способствует снижению удельного расхода смазочного масла. Коленчатый вал изготовлен из низколегированной стали. Подшипники коленчатого вала имеют тонкостенные вкладыши. Коррозионно-стойкий слой состоит из сплава на основе олова и наносится гальваническим способом. Шатун состоит из трех частей (рис. 4.102а). Наличие разъема в верхней части шатуна обеспечивает возможность вынимать поршень, не разбирая мотылевого подшипника.
Цилиндровая втулка изготовлена из чугуна способом центробежного литья, рабочая поверхность азотирована. Между цилиндровой втулкой и крышкой расположено широкое стальное огневое кольцо, воспринимающее термическое воздействие и механические напряжения, в результате чего цилиндровая втулка предохраняется от чрезмерной деформации. Огневое кольцо снабжено внутренними каналами для охлаждающей воды.
Поршень дизеля серии М552С, как и серии М552В, состоит из стальной головки и алюминиевого тронка. Разница заключается лишь в добавлении в головке сверленых каналов для охлаждающего масла. Многолетний опыт эксплуатации дизелей фирмы МаК показал, что алюминиевый тронк работает безотказно. Все компрессионные кольца размещены в головке поршня. Верхнее кольцо и рабочая поверхность верхней кольцевой канавки хромированы. Днище поршня имеет выпуклость в верхней части, образующую благоприятную для смесеобразования форму камеры сгорания (рис. 4.102 б).
Цилиндровая крышка изготовлена из чугуна с шаровидным графитом. Этот материал незаменим для цилиндровых крышек, особенно для таких условий эксплуатации, когда происходит непрерывное чередование режимов работы. В крышке размещены по два впускных и выпускных клапана. Воздушный канал выполнен таким образом, что поступающий в цилиндр поток приобретает вращательное движение, создающее условия для лучшего смесеобразования.
Выпускные клапаны смонтированы каждый в своем корпусе и снабжены проворачивающимися устройствами, разработанными фирмой МаК, вместо часто применяемых крылаток на штоке клапана. На седлах и штоках выпускных клапанов имеется наплавка из жаростойкого сплава колмоной. Седла выпускных клапанов охлаждаются водой, их температура в процессе охлаждения не превышает 400° С.
При модернизации дизеля изменения внесены в конструкцию топливного насоса высокого давления. Предусмотрен подвод масла для смазки трущихся пар. Уточнен профиль кулачной шайбы, обеспечивающий оптимальную интенсивность подачи топлива.
В серии М552С сохранена система импульсного наддува. Машины этого типоразмера фирмы МаК применяются в основном на судах, где важно располагать способностью к быстрому изменению нагрузок. При этом характеристики ТК и фазы газораспределения на дизелях этой серии подобраны таким образом, чтобы обеспечить наименьший расход топлива в диапазоне нагрузок 60-100%.
Литература
Судовые дизельные двигатели. Осипов О. В., Воробьев Б. Н. (2018)
