Budowa silników okrętowych - wybrane zagadnienia eksploatacyjne-temat nr 9(13):

a/ układ korbowo-tłokowy,

b/ układ wtryskowy,

c/ układ smarowania,

d/ smarowanie gładzi cylindrowej,

e/ układ rozruchowy i rozruchowo-nawrotny,

f/ tendencje rozwojowe silników okrętowych.

Budowa, wykonanie i materiały podstawowych elementów układu korbowego.

1. tłoki,

2. sworznie tłoka,

3. pierścienie tłokowe,

4. trzon tłoka,

5. wodzik, korbowód,

6. wał korbowy,

7. łożyska układu korbowego,

8. chłodzenie tłoków - wpływ intensyfikacji chłodzenia na budowę konstrukcyjną podzespołów.

Rozróżnia się dwa rodzaje układów korbowych:

• Układ korbowo-tłokowy silnika bezwodzikowego - rys.6.1 (tłok, korbowód, wał korbowy, łożyska główne, korbowe i sworzniowe, koło zamachowe)

• Układ korbowo-tłokowy silnika wodzikowego - rys. 6.2 (tłok, trzon tłokowy, wodzik, sworznie wodzika, prowadnica wodzika, korbowód, wał korbowy, łożyska główne, korbowe, koło zamachowe)

Wszystkie części układu znajdują się w zamkniętej skrzyni korbowej, uniemożliwiającej ich

bezpośrednią obserwację podczas ruchu silnika.

Tłoki silników okrętowych

Głównym zadaniem tłoka jest:

• szczelne, suwliwe zamkniecie przestrzeni roboczej cylindra,

• przeniesienie za posrednictwem pozostałych elementów układu tłokowo-korbowego sił gazowych na wał korbowy,

• przenoszenie siły nacisków bocznych P_N na ściany tulei cylindrowej - silnik bezwodzikowy,

• sterowanie rozrzadem powietrza i spalin (wymiana czynnika roboczego),

• spełnianie przez dolna część tłoka roli spręzarki powietrza ładującego

Najbardziej narażone na obciążenie są:

• denko tłoka (rozkład temperatur rys.6.3; 6,4; 6,5; 6,6 zależny od konstrukcji, materiału tłoka sposobu chłodzenia i stopnia obciążenia silnika - najniższe temperatury maja tłoki wykonane ze stopów lekkich),

• rowki pierścieni tłokowych,

• mostki miedzy rowkami,

• piasta sworznia tłokowego.

Rodzaje tłoków - rys 6.7;

• ze względu na sposób prowadzenia tłoka - tłoki silników wodzikowych i bezwodzikowych;

• ze względu na stosowane materiały - żeliwne, ze stopów aluminium (jednoczęściowe) staliwno-żeliwne, stalowo-żeliwne ( składane),

• wg kryterium konstrukcyjnego - jednoczęściowe, składane wieloczęściowe, krótkie, długie, ze sworzniem cylindrycznym i ze sworzniem kulistym.

Materiały

Wybór materiału na tłok oraz rozwiązanie i kształt konstrukcyjny zależą od:

• rodzaju i wielkości silnika,

• od mocy jednostkowej i prędkości obrotowej,

• sposobu równoważenia siły poprzecznej P_N,

• oraz od żądań dodatkowych, jakie spełnia tłok.

Wymagania stawiane materiałom na tłoki:

• duża wytrzymałość - również w wysokich temperaturach,

• duża odporność na powstawanie pęknięć pod wpływem obciążeń cieplnych,

• dobre własności cierne,

• mała rozszerzalność, duża przewodność,

• mały ciężar właściwy,

• dobre własności technologiczne (lejność, obrabialność).

Zasadnicze materiały stosowane na tłoki to:

• żeliwo - tłoki silników średnio i wolnoobrotowych jednoczęściowych lub składanych,

• staliwa i stale - (głowice) denka tłoków składanych,

• stopy aluminium - stopy lekkie stosowane na tłoki silników średnio i szybkoobrotowych małej i średniej mocy oraz na części prowadzące tłoków składanych.

Materiały wiązane i sposoby ulepszania własności materiałów.

• miejscowe hartowanie, chromowanie, wtapianie wkładek podpierścieniowych,

• stopy kute zamiast lanych,

• miejscowe przetapianie,

• naspawanie stopami o dużej wytrzymałosci miejsc szczególni obciążonych,

• materiały wzmacniane włóknami - specjalne druty i nitki metalowe z boru, krzemu, tlenku glinu i grafitu (wadą są wysokie koszty wytwarzania, trudna technologia wykonania).

Tłoki silników bezwodzikowych - rys.6.8; 6.9; 6.10; 6.11; 6.12; 6.13; 6.14; 6.39; 6.37; 6.40;

• Geometria tłoka - podczas pracy tłok a zwłaszcza jego górna cześć ulega odkształceniom cieplnym i mechanicznym. Kształt tłoka w stanie zimnym musi być tak dobrany, aby w czasie pracy po nagrzaniu się i odkształceniu osiągnął wymiary regularnego walca.

• Denka tłoków - odprowadzaj a ciepło do pierścieni tłokowych, tłoki silników średnich i dużych są użebrowane od strony wewnętrznej, kształt zależy od rodzaju silnika ( 2- czy 4- suwowy).

• Rowki pierścieniowe - wytłoczone w części pierścieniowej, służą do osadzenia i prowadzenia pierścieni uszczelniających i olejowych, przekroje rowków ry.6.14.

• Piasty sworznia - służą do ułożyskowania sworznia tłokowego łączącego tłok z korbowodem.

• Chłodzenie - chłodzone olejem z obiegu smarnego silnika, kanałem wydrążonym w korbowodzie lub rurami teleskopowymi ( silniki 4-suwowe średnice większe od 250-300mm; silniki 2-suwowe średnice większe od 200-300mm).

Tłoki silników wodzikowych - rys.6.16; 6.41; 6.42;

Wykonywane jako składane z części uszczelniającej i prowadzącej połączone przez trzon tłokowy.

W części prowadzącej montowane są pierścienie prowadzące - rys 6.16a;

Chłodzone wodą (woda doprowadzana rurami teleskopowymi) lub olejem z obiegu silnika za pomocą wahaczy.

Sworznie tłokowe.

Sworzeń tłokowy łączy przegubowo tłok silnika bezwodzikowego z korbowodem.

Przenosi znaczne obciążenia gnące, ścinające i naciski jednostkowe, pracuje w wysokich temperaturach.

Z jednej strony ma duże wymiary z uwagi na przenoszenie dużych nacisków, z drugiej powinien mieć możliwie małą masę z uwagi na ruch posuwisto zwrotny z tłokiem. W celu zmniejszenia ciężaru nadaje się sworzniom kształt belki o jednakowej wytrzymałosci, dlatego sworznie wewnątrz są dwustronnie wydrążone w formie stożka - rys.6.32.

W zależności od sposobu ustalenia swobody ruchu sworznia w rozróżnia się ( rys.6.33; 6.34; 6.35);

• sworznie osadzone nieruchomo w tłoku,

• sworznie osadzone nieruchomo w korbowodzie,

• sworznie pływające - nie mocowane w piaście tłoka i w korbowodzie.

• sworznie kuliste - rys.6.36; 6.40, przez co uzyskuje się zmniejszenie nacisków, lepsze warunki pracy łożyska, zapobiega się przegrzaniom tłoka i tulei cylindrowej, symetryczne prowadzenie tłoka w tulei, co polepsza prace cylindra w zimnym stanie i podczas częściowego obciążenia, zmniejszone zużycie oleju cylindrowego.

Pierścienie tłokowe.

Tłoki silników okrętowych wyposażone są w trzy rodzaje pierścieni:

1. Uszczelniające- zakładane w górnej części tłoka w liczbie 3-8 sztuk (silniki współczesne 3-5 szt.), podstawowe zadanie to uszczelnienie komory spalania, odprowadzenie ciepła do tulei cylindrowej. Podstawa prawidłowego działania jest ścisłe przyleganie do tulei cylindrowej.

Siły gazowe działające na pierścień - rys.6.17.

O wartości docisku pierścienia do tulei cylindrowej decydują:

• siła sprężystości własnej pierścienia P_s,

• wypadkowa sił nacisku gazu w kierunku promieniowym P_rg,

• siła tarcia P_rμ

Siły działające w kierunku osiowym - dociskające pierścień do dolnej powierzchni rowka:

• wypadkowa sił nacisku gazu w kierunku osiowym P_zg,

• siła bezwładności ( masowa) pierścienia,

• siła tarcia.

Rzeczywiste warunki pracy pierścienia są inne, spowodowane błędami geometrii kształtu i powierzchni tulei, pierścienia i tłoka ( rowka) a przede wszystkim ich termicznymi i mechanicznymi odkształceniami.

Wszelkie odstępstwa od założeń konstrukcyjnych jak:

• nieprawidłowy luz,

• wypracowane rowki,

• zabrudzone nagarem pierścienie i rowki,

pogarszają w praktyce warunki działania układu pierścieni uszczelniających.

Deformacja pierścienia - przyczynia się do usunięcia lub powiększenia nieszczelności pierścienia (nieszczelności, przegrzania, uszkodzenie wzdłużne tulei cylindrowej) rys.6.22; 6.23;

Korekcja pierścieni - przykłady pierścieni korygowanych rys.6.24.

Materiały pierścieni uszczelniających:

• materiał podstawowy - żeliwo szare perlityczne z zawartości C i Si oraz dodatków stopowych jak Mn, P, Cu, Ni, Mo.

• żeliwo sferoidalne,

• pokrywanie warstwa chromu, rowkowanie i miedziowanie dla polepszenia własności ciernych.

Kształty pierścieni - rys.6.25; 6.26;, rodzaje zamków - rys.6.27;

2. Olejowe - stosowane w silnikach:

• wodzikowych - rozprowadzenie oleju po gładzi tulei cylindrowej,

• bezwodzikowych - jako pierścień zgarniający, zgarnianie oleju ( mgły olejowej) do skrzyni

korbowej.

Zasada działania i budowa pierścieni olejowych - rys.6.28; 6.29.

Materiały: żeliwo stopowe.

3. Prowadzące - brązowe pierścienie ( brązy cynowe z dodatkiem ołowiu) z ilosci 2-4 sztuk najczęściej w silnika wodzikowych, zapewniają dodatkowe prowadzenie tłoka w tulei cylindrowej. Mocowane na tłoku, w obwodowym rowku o trapezowym przekroju i zakuwane- młotkowane -rys.6.30.

Dobór pierścieni do danego silnika i warunków pracy pierścieni dokonuje się na podstawie wniosków i spostrzeżeń zebranych w trakcie eksploatacji. Obsługa silnika powinna ściśle przestrzegać instrukcji producenta w zakresie prac remontowo-konserwacyjnych bez wprowadzania własnych ulepszeń.

Trzony tłokowe. Dławice trzonów tłokowych.

Trzon tłokowy- wykonany ze stali węglowej lub stopowej jest elementem układu korbowo-tłokowego silnika wodzikowego i służy do połączenia tłoka z wodzikiem. Ma przekrój kołowy stały na całej długości. Część górna zakończona kołnierzem służy do mocowania tłoka, część dolna o kształcie czopa lub stopy służy do połączenia trzona ze sworzniem wodzika (rys.6.44.). Czynnik chłodzący tłok doprowadzany jest kanałem w trzonie ( chłodzenie olejem) lub wciśniętymi rurami teleskopowymi wykonanymi ze stali nierdzewnej.

Rozwiazania konstrukcyjne - rys.6.44. Prawidłowe osadzenie stopy trzonu tłokowego uzyskuje się przez osadzenie trzona w odpowiednim miejscu i zapewnienie miedzy elementami właściwego docisku. Do łączenia trzonu tłokowego z wodzikiem stosuje się prasy hydraulicznej (rozciągnięcie stopy trzonu tłokowego i ręczne dokręcenie luźnej nakrętki) lub dokręcanie mechaniczne nakrętki ( kluczem) przez obrót nakrętki o odpowiedni kąt

Dławica trzona tłokowego - stanowi ruchome uszczelnienie trzonu tłokowego w przeponie oddzielającej przestrzeń podtłokową od skrzyni korbowej ( rys.6.45), co zapobiega przedostawaniu się do skrzyni korbowej resztek oleju cylindrowego zanieczyszczonego produktami spalania.

Zespól pierścieni uszczelniających - zapobiega przedostawaniu się powietrza ładującego do skrzyni korbowej ( rys.6.45), składa się trzech zestawów z trójdzielnych pierścieni ściskanych spiralną sprężyną (rys.6.46). Wykonane z żeliwa lub brązu.

Zespół pierścieni zgarniających - zapobiega przedostawaniu się oleju ze skrzyni korbowej do przestrzeni podtłokowej i zużytego oleju z przestrzeni podtłokowej do skrzyni korbowej.

Wykonywane z żeliwa lub różnego rodzaju brązu ( rodzaje wykonania - rys.6.45; 6.46).

W nowych rozwiązaniach stosowane są dławice z pierścieniami teflonowymi i brązowymi.

Wodziki i prowadnice wodzików. Korbowody.

Zadania, rodzaje i budowa wodzików.

Na rys. 6.47 -schemat układu tłokowo-korbowego silnika wodzikowego (wodzik przenosi siłę tłokową P_t z trzonu tłokowego na korbowód i siłę poprzeczna P_N na prowadnice wodzika).

Na rys. 6.48 - schematy stosowanych konstrukcji wodzików (jednostronny - starsze rozwiazania i

dwustronny - obecnie stosowane - rys.6.49; 6.50; 6.51).

Łyżwy wodzika wykonuje się ze stali lub staliwa. Elementami zasadniczymi łyżwy wodzika są

powierzchnie ślizgowe główne i boczne pokryte białym metalem (stopem łożyskowym).

Wodziki dwustronne - umożliwiają łatwy dostęp do układu korbowo-tłokowego oraz ze względu na

symetryczność powierzchni ślizgowych - także możliwość długotrwałego obciążenia silnika podczas biegu wstecznego - rys.6.49.

Smarowanie wodzików.

Przy chłodzeniu olejowym tłoka - smarowanie wodzika i prowadnic z instalacji chłodzenia tłoka.

Przy chłodzeniu wodnym tłoka - smarowanie wodzika i prowadnic olejem doprowadzanym do wodzika wahaczami podobnie jak olej chłodzący tłoki.

Prowadnice wodzików - konstrukcja zależy od konstrukcji wodzika, z którym prowadnica współpracuje Prowadnica jednostronna rys.6.48 - użebrowana płyta, listwy, podkładki kompensacyjne).

Prowadnica dwustronna - ry.6.52; 6.49.

Prowadnice wodzika silników dużej mocy są chłodzone oleje z obiegu smarowania łozysk.

Korbowody.

Korbowód - łącząc tłok (wodzik) w wałem korbowym, przenosi siłę tłokową na wał korbowy. Podczas pracy jest ściskany i rozciągany siłą P_K oraz zginany siłą P_mk (wzór 4.23).

W korbowodzie można wyróżnić: łeb, trzon i stopę ( rys.6.53 - schematy korbowodów).

We łbie znajduje się łożysko sworznia tłokowego lub wodzikowego lub stopa, do której montuje się sworzeń.

Stopę korbowodu stanowi łożysko obejmujące czop wału korbowego.

Konstrukcja korbowodu zależy od:

• Sposobu prowadzenia tłoka - silniki wodzikowe i bezwodzikowe.

• Układu cylindrów - rzędowy lub widlasty.

• Sposobu osadzenia sworznia tłokowego.

Korbowody różnią się miedzy sobą konstrukcją:

• łba korbowodu - zależna od budowy łożyska sworzniowego lub wodzikowego.

• stopy korbowodu, - w której mieści się łożysko korbowe.

Budowa korbowodu - materiał stal węglowa.

1. Łby korbowodu - rys.6.54; 6.55; 6.56; 6.57; 6.58;

2. Trzony korbowodu - rys.6.57.

• przekrój kołowy, dwuteowy-silniki małej mocy,

• kanał wywiercony w osi trzonu (zmniejszenie ciężaru, doprowadzenie oleju),

• długość korbowodu 3.5-4,5 długości ramienia wykorbienia, regulacja długości trzona za pomocą podkładki kompensacyjnej.

1. Stopy korbowodu rys.6.57- obudowa łożyska korbowego- dzielone w jednej lub w dwóch płaszczyznach (umożliwiające wyjęcie stopy przez tuleję cylindrową), skręcane śrubami pasowanymi,

Wały korbowe. Koła zamachowe.

Wał korbowy

Zadania, warunki pracy, rodzaje wałów korbowych rys.6.59.

Wał korbowy obracając się przekazuje moment obrotowy silnika na:

• odbiornik mocy (śrubę napędową lub prądnicę),

• napędza również wszystkie mechanizmy (pompy wtryskowe, zawory rozrządu, pompy).

Wał korbowy jest obciążony:

• Siłami ciśnienia gazów,

• Momentami, siłami bezwładności ( masowymi).

• Siły i momenty zginają i skręcają wał a ich okresowa zmienność powoduje drgania skrętne i poprzeczne,

• Przy napędzie śruby dochodzą drgania wzdłużne wywołane przez śrubę napędową.

• Szczególnie niebezpieczne są rezonansowe drania skrętne.

• Wskutek procesów ciernych - zużycie łożysk głównych i korbowych (czystość oleju, częstotliwość rozruchów, warunki smarowania),

Elementy zasadnicze wału korbowego to:

• Wykorbienia składające się z dwóch ramion.

• Ramiona.

• Czopy korbowe.

• Czop główny.

• Przeciwciężary - do zrównoważenia sił masowych (przykręcane lub odlewane wraz ramionami).

Budowa wałów korbowych.

Wały korbowe są odpowiednio dobrane do charakteru obciążenia i warunków pracy i powinny się

odznaczać wytrzymałością na rozerwanie, udarnością (odpornością na zmęczenie i ścieranie),

zdolnością tłumienia drgań.

Materiały:

• stal węglowa ( C= 0,35 - 0,45%),

• stale stopowe (C=0.3-07%) głównie z dodatkiem Mn, Cr, Si;

• staliwo ( C= 1,36 - 1,6%) z dodatkiem Mn, Cr, Si, Cu.

• żeliwo ciągliwe.

Technologia wykonania:

• Silniki małe - odkuwane w całości lub w dwóch trzech częściach, łączone śrubami

- rys. 6.60; 6.61. ( okuwanie metodą TR - autor prof. Tadeusz Rut, spęczenie z jednoczesnym wyginaniem)

• Silniki dużej mocy - jako składane, poszczególne elementy lane lub odkute ( rys.6.62), łączone skurczowo bez dodatkowych łączeń skurczowych lub spawane.

Rozstawienie korb - zależne od sposobu pracy silnika ( 2- lub 4-suwowy) oraz od kolejności zapłonu.

Kąt rozstawienia korb - przy założeniu równych odstępów czasu między poszczególnymi zapłonami wynosi dla:

• 2-suwowych 360 / i;

• 4-suwowych 720 / i; gdzie: i - ilość cylindrów;

Przy ustalaniu kolejności zapłonu pod uwagę bierze się:

• obciążenie łożysk i śrub ściągowych, powodowane cisnieniem z dwóch przyległych cylindrów,

• obciążenia i drgania kadłuba, powodowane momentami sił masowych pierwszego i drugiego rzędu,

• naprężenie skręcające wał korbowy i śrubowy, wywołane drgania skrętnymi,

• drgania poprzeczne silnika,

• drgania wzdłużne wału korbowego.

Konstrukcja.

Wykonanie - rys.6.63, rodzaje kanałów smarnych - rys.6.64

Koła zamachowe.

Jak wynika z rozważań o siłach i momentach masowy, cechuje je okresowa zmienność.

Największe wahania momentu w czasie jednego cyklu występują w silniku 1-cylindrowym 4-suwowym, gdzie na jeden suw pracy, podczas którego moment jest dodatni, występują trzy suwy pomocnicze.

Suwy pomocnicze odbywają się kosztem energii przekazanej do układu korbowego podczas suwu pracy.

Jeżeli przyjmie się stały moment odbiornika mocy, to chwilowa prędkość kątowa wału korbowego silnika nie może być stała.

Ruch obrotowy wału korbowego odbywa się, zatem z określona nierównomiernością, tym większą, im mniejsza jest liczba cylindrów i masa układu korbowego.

Nierównomierność prędkości obrotowej silnika w czasie jednego cyklu roboczego, określoną stopniem nierówności biegu silnika, można zmniejszyć przez podzielenie pracy silnika na kilka cylindrów lub przez osadzenie na wale ciężkich mas obrotowych, zwanych kołami zamachowymi lub przez pierwsze i drugie jednocześnie.

Im większa jest liczba cylindrów silnika, tym koło zamachowe może być mniejsze, a więc i lżejsze, co jest korzystne ze względu na obciążenie sąsiadującego z kołem zamachowym łożyska.

Koła zamachowe wraz z całym układem korbowym akumulują nadwyżki energii w okresie, gdy moment obrotowy silnika jest większy od momentu odbiornika i oddają, kiedy jest odwrotnie.

Rodzaje wykonania - rys.6.65; 6.66. - konstrukcje tarczowe lub wieńcowe.

Wielkość koła zamachowego (zależna od żądanego stopnia nierównomierności biegu) silnika określa się momentem bezwładności koła zamachowego I_{o, którego} wartość z wystarczającą dla praktyki dokładnością określa się z zależności

mD²

I_o = m ( D/2)² = __

4

gdzie:

m - masa koła zamachowego odniesiona do środka ciężkości wieńca.

D - średnica odpowiadająca środkowi ciężkości wieńca.

Charakterystycznym parametrem koła zamachowego jest iloczyn mD² zwany także momentem zamachowym koła zamachowego.

Koło zamachowe osadzone na końcu wału korbowego od strony odbiornika mocy, ma na zewnętrznej powierzchni wieńca nacięte zęby, stanowiące wraz z kołem zębatym, obracarki jednostopniową przekładnie zębatą, służącą do obrotu silnika.

Odcinek wału z kołem zamachowym jest dwustronnie łożyskowany.

Podsumowanie:

W rozważaniach na temat wyrównoważenia silników zakładano, ze masy części powtarzających się w poszczególnych cylindrach są jednakowe.

W rzeczywistości tak nie jest, ze względu na nieunikniony rozrzut wymiarów i mas, zwłaszcza części odlewanych ze względu na niejednorodność struktury i surowy stan powierzchni.

Z tych względów, w razie potrzeby, przeprowadza się korektę mas wałów korbowych przez nawiercanie otworów korekcyjnych w przeciwciężarach.

Przeciwciężary z otworami korekcyjnymi są wzajemnie niewymienialne.

Stopień wyrównoważenia silnika jest kompromisem konstrukcyjnym, uwzględniającym wiele różnych czynników - w tym:

• przeznaczenie silnika,

• jego ciężar,

• rodzaj fundamentowania,

• obciążenia łozysk.

Każde odstępstwo od tych założeń, np. praca silnika ze zdemontowanym układem tłkowo-korbowym, zwiększa stopień niezrównoważenia silnika, co objawia się wzmożonymi drganiami.

Z tych tez względów wymontowanie uszkodzonego układu z silnika jest celowym tylko wówczas, gdy uszkodzenie uniemożliwia kontynuowanie podróży.

Łożyska układu tłokowo-korbowego.

Najważniejsze łożyska układu korbowo- tłokowego:

• łożyska sworzni tłokowych,

• łożyska sworzni wodzikowych,

• łożyska korbowe,

• łożyska główne,

• łożyska oporowe.

Są to łożyska ślizgowe - lepiej znoszą obciążenia dynamiczne od łożysk tocznych ni stosowanych w silnikach okrętowych.

Zasadnicze elementy łożyska ( rys.6.67) to:

• czop,

• smar,

• panew.

Rodzaje tarcia ( rys. 6.70):

• suche,

• mieszane - wystepuje podczas rozruchu i zatrzymania silnika,

• płynne - grubość warstwy płynnej jest grubsza niż suma nierównosci, ciśnienie ca 10-30MPa powstałe w wynika tzw. efektu wyciskania - rys.6.73, który wraz z działaniem klina smarnego wytwarza dynamiczne cisnienie w warstwie smaru.

Położenie czopa w panwi - rys.6.75

Wykres ciśnień w szczelinie smarnej - rys.6.80.

Obciążenie łożysk układu korbowo-tłokowego.

Siły obciążające łożyska układu korbowego - rys.6.83.

Niezawodność ruchowa łożysk ślizgowych - pewność ruchowa - jest uzalezniona od:

• zaniku tarcia płynnego

• przekroczenia granicznej temperatury łożyska - grubość szczeliny smarnej maleje wraz temperaturą, ponieważ maleje lepkość smaru,

• przeciążenia mechanicznego materiału panwi (nagłe i częste zmiany prędkości obrotowej lub średniego ciśnienia efektywnego, nieprawidłowe spalanie, zmęczenie stopu łożyskowego, - prowadzi do uszkodzenia panwi w wyniku przekroczenia granicy plastyczności (odkształcenie panwi lub czopa) stopu łożyskowego lub jego zmęczenia,

• uszkodzeń kawitacyjnych - powstają w wyniku zmian kierunku przepływu smaru)powierzchniowe pękanie i ubytek materiału w pobliżu otworów rowków smarowych, zapobieganie polega na zaokrągleniu krawędzi otworów i rowków smarowych, odpowiedni dobór luzu łożyskowego i ciśnienia oleju smarnego na dopływie do łożyska.

Konstrukcja łożysk układu korbowo-tłokowego.

Na prawidłową pracę łozyska mają wpływ konstrukcja panwi i własności stopu łożyskowego.

Popularnym najdawniej stosowanym typem są panwie dwuwarstwowe składające się z:

• Dwuwarstwowe (dwumetalowe) rys.6.86a - stalowej skorupy (łuski) wylanej stopem łożyskowym (materiałem łożyskowym) stanowiącym warstwę nośną - biały metal, brąz lub stop aluminiowo-cynowy grubość warstwy do kilku mm stosowany w nowszych konstrukcjach.

Wada - mała wytrzymałość zmęczeniowa, dla zwiększenia wytrzymałości zwłaszcza łożysk wodzikowych warstwę białego metalu pokrywa się powłoką ołowiowo-cynową lub ołowiową o grubości 0,01-0,03mm.

• Trójwarstwowe -rys.6.86b; stalowa skorupa, stop łożyskowy nośny i stop łożyskowy ślizgowy.

• Wielowarstwowe - wykonywane zwykle jako wiotkie a w silnikach nowej konstrukcji jako cienkościenne (rys.6.89): stalowa skorupa, brązowa warstwa ślizgowa oraz powłoka ślizgowa z miękkiego metalu lub stopu z nałożona miedzy powłokami μm warstwą zaporową.

Zaletą tych panwi jest duża wytrzymałość zmęczeniowa i na nacisk i zdolność dopasowywania się panwi do czopa.

Materiał łożyskowy - stop miękki cyny lub aluminium lub brązu - rys.6.86.

Własności:

• Dobra podatność plastyczna (odkształcalność),

• Odpowiednią strukturę zdolna pochłonąć twarde zanieczyszczenia smaru,

• Dobre własności ślizgowe i odporność na zatarcie,

• Duża wytrzymałość mechaniczna - zmęczeniowa, mała rozszerzalność cieplną, odporność na zużycie cierne, korozje oraz uszkodzenia kawitacyjne.

Stopy łożyskowe:

• Stopy na osnowie cyny -Sn lub ołowiu -Pb (tzw. białe metale) - zależność wytrzymałosci względnej łozyska ślizgowego od grubości stopu cynowego - ryr.6.87.

• Miedzi - Cu (tzw. brązy) - stopy na osnowie miedzi i cyny, mieszaniny miedzi z ołowiem, trójskładnikowe. Brązy stosuje się na łożyska sworznia tłokowego jak również na łożyska korbowe i główne.

• Aluminium - Al.

Czopy współpracujące z panwiami.

O prawidłowej pracy łozyska decyduje materiał i struktura powierzchni czopa, która niekiedy poddaje się obróbce cieplno-chemicznej, aby uzyskać twardość powierzchni większą 4-5 razy od twardości warstwy ślizgowej.

Smar (olej smarowy) - jest również materiałem decydującym o prawidłowym działaniu łożyska.

Panwie łożyskowe - stanowi ją stalowa skorupa pokryta materiałem łożyskowym.

Cechy charakterystyczne panwi to:

• względna grubość g/d_c;

• rodzaj warstwy ślizgowej.

W zależności o stosunku łącznej grubości panwi g do średnicy czopa d_c rozróżnia się ( rys.6.88)

• panwie sztywne (samonośne), gdy g/d_c >1/10 - silniki wolnoobrotowe starszej konstrukcji;

• panwie wiotkie, gdy 1/70 < g/d_c <1/10 - silniki średnio i szybkoobrotowe oraz wolnoobrotowe;

całkowita wymienność bez potrzeby dopasowywania;

w tym: grubościenne, gdy g/d_c = 1/10 - 1/25;

średniościenne, gdy g/d_c = 1/25 - 1/40

cienkościenne, gdy g/d_c = 1/40 - 1/70,

a zależnie od rodzaju warstwy ślizgowej:

• panwie dwuwarstwowe,

• panwie wielowarstwowe.

Rowki olejowe - w celu zapewnienia prawidłowego smarowania we wszystkich fazach pracy oraz podczas rozruchu i zatrzymania silnika.

Właściwe rozprowadzenie oleju w kierunku osiowym i promieniowym oraz zwiększenie przepływu a tym samych chłodzenie łożyska zapewnia kieszeń olejowa ( rys.6.91).

Przekładki regulacyjne - z blachy mosiężnej wkładane pomiędzy panwie służą do ustalenia i regulacji luzu łożyskowego określonego w instrukcji technicznej.

Śruby łożyskowe ( dwie lub cztery), zakładane w odpowiednie otwory pokryw łączą poszczególne elementy łożyska - pokrywy, panwie, podkładki w jedna całość ( rys.6.93).

Łożyska główne i korbowe - konstrukcja podobna (rys. 6.49; 6.95)

Łożysko sworznia tłokowego i wodzikowego - rys.6.54; 6.96).

Łożyska oporowe - zadania i zasada działania.

Zamontowane na wyjściu wału korbowego przed kołem zamachowym, służy do przenoszenia nacisku osiowego śruby napędowej na kadłub statku - hydrodynamiczne typu osiowego (rys.6.98) typ. Michella.

Chłodzenie tłoków.

Ze względów wytrzymałościowych i wypalania materiału denek wszystkie tłoki współczesnych silników okrętowych o średnicy powyżej 250-300 mm są prawie zawsze chłodzone.

Celem chłodzenia jest ograniczenie temperatury denek do wartości gwarantującej wytrzymałość materiału.

Tłoki nie chłodzone przekazują ciepło wodzie chłodzacej obiegu chłodzenia tulei, głowic przez pierścienie tłokowe, płaszcz tłoka i tuleję cylindrową.

Tłoki chłodzone cześć tego ciepła oddają bezpośrednio czynnikowi chłodzącemu.

Efektywność chłodzenia powinna wynikać z zamierzonego celu.

Zbyt intensywne chłodzenie może powodować:

• nadmierne duże różnice temperatur i dodatkowe naprężenia w ściankach tłoka,

• dodatkowe straty ciepła, a w rezultacie spadek sprawności efektywnej i wzrost jednostkowego zużycia paliwa,

• obniżenie temperatury denka poniżej temperatury punktu rosy spalin, zwłaszcza przy obciążeniach częściowych.

Czynniki chłodzące tłok:

• olej smarowy - używany do chłodzenia tłoków silników wodzikowych i bezwodzikowych(rys.11.14)

Zaletą jest prostota rozwiazania układu doprowadzenia oleju do przestrzeni chłodzącej.

Wadą jest tworzenie się osadów, przyspieszenie się starzenia oleju obiegowego i mały skutek chłodzenia 3,5- 4 razy mniejszy niż wody.

• woda słodka

Zalety: duży skutek chłodzenia, brak osadów w przestrzeniach wodnych tłoka umożliwia znaczne obniżenie temperatury tłoków, zapobiegając wypalaniu się denek i wpływa na zmniejszenie temperatury górnych partii tulei cylindrowej. Obniża koszty inwestycyjne - zmniejszenie wymiarów pomp o chłodnic w stosunku do pomp olejowych i chłodnic oleju oraz umożliwia zastąpienie pomp olejowych (drogich i skomplikowanych) pompami odśrodkowymi.

Wada - możliwość awaryjnego zanieczyszczenia oleju obiegowego wodą oraz erozja chłodzonej powierzchni tłoka spowodowana uderzeniami strugi wody.

Sposoby chłodzenia - chłodzenie natryskowe (rys.11.15) i przepływowe ( rys.11.16)

Sposoby doprowadzania czynnika chłodzącego do tłoków:

• kanałami w wale korbowym i korbowodzie- rys.11.23 ab, cisnienie oleju 0,4 - 0,6 MPa,

• rurami teleskopowymi - rys.11.17; 11,18;11.19 - doprowadza się zarówno olej jak i wodę chłodzącą,

• układem rur połączonych przegubowo- rys.11.22 - olej chłodzący z instalacji smarowania łozysk.

Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych - rys.11.23; 11.24; 11.25; 11.26; 11.27;

Instalacja chłodzenia tłoków:

• instalacja olejowa - olej z instalacji smarowania silnika doprowadzany przegubami lub teleskopami oraz przez łozyska układu korbowo-tłokowego, cisnienie 0,35 - 0,5 MPa.

• instalacja wodna - rys.11.28; 11,29:

• obieg niezależny od obiegu chłodzenia tulei cylindrowych i głowic,

• wspólny z tymi obiegami.

Budowa i działanie zaworowego mechanizmu rozrządu.

Rodzaje rozrządu czynnika roboczego:

1. Zaworowy - stosowany w silnika czterosuwowych.

2. Zaworowo-szczelinowy - współczesne silniki dwusuwowe z płukaniem jednokierunkowym (dolot sterowany tłokiem, wylot przez zawór wylotowy / wydechowy).

3. Szczelinowy - silniki dwusuwowe starszej konstrukcji (dolot i wylot sterowane tłokiem).

Schemat układu rozrządu silnika czterosuwowego ( rys. 7.34) - składa się z:

• napęd wału rozrządu,

• wał rozrządu,

• mechanizm przeniesienia napędu na zawory,

• zawory.

Główne elementy typowego układu przeniesienia napędu to:

• rolka z prowadnicą,

• popychacz,

• dźwignia zaworów wsparta na łożysku,

• zawór wydechowy (korpus, gniazdo, grzybek, trzon, prowadnica trzonu, obsada i sprężyna).

Różnice konstrukcyjne w budowach układów to:

• przekładnia napędowa - zębate, łańcuchowe,

• konstrukcja zaworów (zawory w głowicy i w koszach),

• mechanizm przeniesienia napędu (tradycyjny i hydrauliczny w nowszych rozwiązaniach -rys.7.35),

Uproszczony schemat hydraulicznego układu napędu - rys.7.35 (krzywka, zespół tłoczący, krzywka, siłownik, przewód hydrauliczny, sprężyna, grzybek).

Konstrukcja hydraulicznego układu napędu - rys.7.49.

Napęd wału rozrządu.

Wał napędzany od wału korbowego poprzez przekładnie zębatą lub łańcuchową.

Przekładnie zębate: przełożenia przekładni: dla dwusuwu 1:1, dla czterosuwu 1:2;

Schematy przekładni rys.7.36; 7.37.

Przekładnie łańcuchowe: łańcuchowe koło napędowe na wale, napinacz (stały lub sprężynowy), koła łańcuchowe, wał rozrządu, łańcuch (rolkowy podwójny lub potrójny).- schematy ry.7.38.

Przekładnia z napinaczem sprężynowym łańcucha -.rys. 7.39;

Wał rozrządu - steruje zaworami wymiany czynnika:

• początek otwarcia,

• wysokością wzniosu,

• momentem zamknięcia.

Wałem napędzane są również pompy wtryskowe, rozdzielacze powietrza, pompy smarne oleju cylindrowego.

Wykonywane są jako: jednoczęściowe lub składane.

W silnikach małej mocy odkuwane wraz z krzywkami i składane przez łączenia kołnierzowe śrubami pasowanymi.

W silnikach dużej mocy - krzywki na wał są nakładane.

Krzywki - wymuszają ruch napędzanego elementu tj. zaworu lub tłoka pompy wtryskowej rys.7.42.

Mogą być:

• odkuwane razem z wałem lub nakładane,

• montowane na wale na stałe (skurczowo metodą hydrauliczną) lub przestawnie.

Kształt krzywek silników nawrotnych zależy od sposobu przesterowania silnika - osobna dla biegu naprzód i osobna dla biegu wstecz.

Mechanizm przeniesienia napędu na zawory:

1. Napęd konwencjonalny - mechaniczny (popychacz, dźwignia zaworów z ułożyskowaniem) - rys.7.43.

Popychacze: rolkowe ( rys.7.44), rolkowe z amortyzatorem hydraulicznym ( rys.7.45).

Zadaniem popychacza z amortyzatorem hydraulicznym jest zmniejszenie obciążeń dynamicznych e fazie otwierania zaworu oraz samoczynna kompensacja luzu zaworowego.

Drążki popychaczy: przenoszą ruch krzywki na dźwignię zaworową, wykonywane z rur stalowych zakończonych kulistymi końcówkami, tworzącymi przegubowe połączenie. Końcówki drążków wykonane z twardej stali jako oddzielne elementy - rys.7.46.

Dźwignie zaworowe i ich zamocowanie: przenoszą ruch wymuszony przez krzywki na trzony zaworów, odkuwane lub odlewane ze staliwa bądź żeliwa..

Osadzone na ułożyskowanej osi w łożysku ślizgowym, zamontowanym na wsporniku osadzonym na głowicy lub bloku cylindrowym. Smarowane olejem doprowadzanym pod cisnieniem z układu smarowania łozysk.

Przykłady konwencjonalnego mechanizmu przeniesienia napędu na zawory - rys. 7.48;

2. Napęd hydrauliczny - rys.7.49. (cisnienie pracy 20 MPa)

Budowa: pompa tłokowa, krzywka z popychaczem rolkowym, siłownik tłokowy poruszający trzon zaworu wydechowego, sprężyna zamykająca zawór.

Zalety: zastosowanie do napędu dużych zaworów, mechanizm jest mniejszy od konwencjonalnego, mniejsze siły bezwładności, osiowy na cis na trzon grzybka - brak sił bocznych działających na prowadnice zaworu, większa szczelność i trwałość, oszczędność prac konserwacyjno remontowych

Zawory: dolotowe i wylotowe, sterują wymiana czynnika w silnikach czterosuwowych oraz w dwusuwowych z rozrzadem szczelinowo - zaworowym.

Budowa - rys.7.50: grzybek, gniazdo zaworowe, korpus zaworu oraz dodatkowo: talerz oporowy sprężyny, sprężyna, tuleja prowadząca oraz dwudzielny stożek (kamień)mocujący talerz na trzonie grzybka.

Grzybek: talerz, trzon, wykonany z jednolitego materiału lub z różnych zgrzewanych.

Przylgnia -cześć robocza, o kacie wierzchołkowym zwykle 90^o(fragment grzybka rys.7.51; 7.52)

Trzon: jednolity przekrój kołowy, w górnej części rowek do mocowania talerza oporowego, czoło trzonu utwardzone, pokryte warstwa stellitu.

Materiały: wykonuje się z materiałów odpornych na korozje, duża wytrzymałość udarową, odporność na ścieranie, wysoką granicę pełzania, dobra przewodność cieplną, dobre własności technologiczne.

Stosowane materiały:

• ze stali chromowej, chromowo-niklowej, chromowo-krzemowe,

• stopów specjalnych nimonic 80, nimonic 80A (Ni = 76,69%; Cr = 20%; Ti = 2,2%; Al. = 1,2 %),

• przylgnie i powierzchnie czołowe trzonów naspawywane stopami żaroodpornymi tzw. stellitami - stopy kobaltu ( Co ≤ 60% ) z dodatkiem chromu ( Cr ≤ 35% ) i wolframu ( W ≤ 13%),

• współcześnie nimonic 80/80A - stop na bazie niklu charakteryzujący się bardzo dużą żaroodpornością i antykorozyjnością.

Gniazda zaworowe (rys.7.53), wykonywane jako:

• wytoczone bezpośrednio w materiale głowicy lub kosza zaworowego - wadą jest mała trwałość, ograniczone możliwości regeneracji, zaleta to bardzo dobre chłodzenie

• oddzielnie pierścienie mocowane w koszu lub głowicy - wykonane ze stali żaroodpornej i antykorozyjnej, maja duża trwałość i skuteczność chłodzenia.

Korpusy i kosze zaworowe (rys. 7.54) wykonywane z chłodzonym gniazdem, stosowane w silnikach średniej i dużej mocy - ułatwiona wymiana i regeneracja zaworów.

Sprężyny zaworowe - stosowane śrubowe, stosowana jest jedna lub kilka sprężyn osadzonych współśrodkowo, zwijanych w przeciwnych kierunkach, powodują ruch powrotny (zamykający zaworu), zapewniają stały docisk grzybka do gniazda.

Obciążenie i warunki pracy zaworów- ryz.7.55.

Najbardziej obciążone elementy to grzybek zaworu wylotowego - obciazenia cieplne, korozyjne i erozyjne działanie spalin. Max. temperatura pracy 540-560^oC.

Obciazenia takie jak:

• rozciąganie siłami sprężyny i bezwładności w chwili zamknięcia,

• ściskanie siłami ciśnienia gazów i bezwładności,

• zginanie zmiennym momentem podczas otwierania i zamykania zaworu,

• udarowe naciski w chwili zamykania.

Chłodzenie zaworów - woda słodka z obiegu chłodzenia tulei i głowic, chłodzony jest kosz i gniazdo zaworowe,

Rys.7.56.

Smarowanie zaworów - smarowane trzony grzybków i prowadnice z systemu smarowania łozysk lub ręczne w starszych rozwiązaniach.

Rozrząd szczelinowo-zaworowy czynnika roboczego - rys.7.57.

Rozrząd powszechnie stosowany w wolnoobrotowych silnikach dwusuwowych - najsprawniejsze i najskuteczniejsze płukanie przestrzeni roboczej.

Zalety systemu:

• wysoka skuteczność płukania,

• niezależny rozrząd dolotu i wylotu czynnika roboczego, prosta realizacja doładowania silnika,

• wyższa sprawność o 2-6 % ogólna silnika,

• bardzo małe zużycie oleju cylindrowego 0,5-06 g/kWh, dwa razy mniejsze niż przy innych rozwiązaniach,

• symetryczne obciążenie tulei cylindrowych i głowic.

Wada - skomplikowana konstrukcja w porównaniu z płukaniem np. poprzecznym lub zwrotnym sterowanym tłokiem.

Przykłady zastosowania - silniki typu MC/MCE 55.produkcji MAN - B&W oraz firmy Sulzer - typ.RTA;

Cechy wspólne systemów:

• hydrauliczne otwieranie zaworów,

• pneumatyczne zamykanie grzybka - novum obu konstrukcji, „sprężynę pneumatyczną” stanowi siłownik pneumatyczny zasilany sprężonym powietrzem

• chłodzone woda słodką gniazdo zaworowe, rys.7.58; 7.59; 7.60;

W tych rozwiązaniach istnieje możliwość zastosowania urządzenia zmieniającego, podczas pracy silnika, moment zamykania zaworu wylotowego:

• (Variable Exhaust Closing - VEC) firma Sulzer- rys.7.60- schemat sterowania zaworu hydraulicznego;

• ( Variable Injection Timing - VIT )- firma MAN - B&W.

VEC I VIT sterują momentem zamknięcia zaworu wylotowego tak, by w zakresie obciążeń 80 - 100% mocy nominalnej dla utrzymania stałego ciśnienia sprężania w zmieniającym się zakresie mocy- optymalizacja procesu roboczego, obniżenie jednostkowego zużycia paliwa w zakresie obciążeń częściowych ( rys.7.61).

Zadaniem ich jest wcześniejsze zamykanie zaworu wylotowego przy spadku obciazenia ze 100 do 80% mocy i opóźnianie zamknięcia zaworu przy wzroście mocy 80-100%.

Układ wylotowy.

Układ wylotowy ( rys.7.64), spełnia zadanie doprowadzenia spalin z cylindrów do turbiny i odprowadzenie ich do atmosfery.

Zasadnicze elementy to:

• kolektor spalin z kompensatorami - w systemie pulsacyjnym odprowadzenie spalin z cylindrów do turbosprężarki, w systemie stałociśnieniowym wylot spalin do wspólnego kolektora i z kolektora (zasobnika spalin) do turbosprężarki.

• tłumik - tłumienie hałasu wytwarzanego przez spaliny opuszczające cylindry silnika oraz zastosowany jako łapacz iskier przy instalacjach kotłów utylizacyjnych ( zapobieganie przedostawaniu się do atmosfery iskier i cząsteczek paliwa nie dopalonych w silniku oraz odpylanie spalin).

• przewód wylotowy spalin - odprowadzają spaliny z turbosprężarki do kotła utylizacyjnego ( w silnikach napędu głównego) lub do komina ( w silnikach zespołów prądotwórczych), wykonywany jako izolowany cieplnie rurociąg o stosunkowo dużej średnicy.

Instalacja wtryskowa paliwa.

Zadaniem instalacji zasilania jest dostarczenie do komory spalania w określonym czasie prawidłowo rozpylonego paliwa w ilosci odpowiadającej chwilowemu zapotrzebowaniu mocy.

Ilość i rodzaj elementów stanowiących instalację zależy od:

• rodzaju i mocy silnika,

• rodzaju stosowanego paliwa.

W skład instalacji wchodzą (rys. 9.20; 9.21):

1. zbiornik rozchodowy (PC-paliwa ciężkiego, PL- paliwa lekkiego) - gromadzenie paliwa, dopływ paliwa do silnika grawitacyjnie lub pompą zasilającą, dwa zbiorniki rozchodowe o pojemności pokrywającej 8-12 lub 24 godzinne zapotrzebowanie paliwa przez silnik.

2. zbiornik mieszankowy (obiegowy)- przy spalaniu PC, pojemność 0,2-0,5m³, mieszanie paliw lekkiego z ciężkim ( starsze rozwiazania), zapobiega nagłym zmianom temperatury i lepkości oraz ciśnienia.

3. urządzenia pomiarowe- zbiorniki pomiarowe, przepływomierze.

4. pompy podające - cisnienie pracy 0,2 -0,5 MPa, zębate, śrubowe lub tłokowe, wydajność 2-4 razy większa od zużycia, odpowietrzanie systemu paliwa przed uruchomieniem, ręczne pompy do odpowietrzania instalacji - małe silniki.

5. podgrzewacz paliwa - lepkość paliwa wtryskiwanego do komory spalania silników wolnoobrotowych 15-25 cSt ( 2 - 3 ^oE); średnioobrotowych. 12-16cSt (1,6 - 2,5^oE); podgrzewacze parowe i elektryczne, cisnienie 0,4-0,7 MPa;

6. regulator lepkości paliwa,

7. filtr paliwa dokładnego oczyszczania - instalowane przed pompami wtryskowymi lub podgrzewaczami paliwa, filtry na wtryskiwaczu.

Rodzaje filtrów - ze względu na konstrukcję:

• z wkładem filtracyjnym włókiennym,

• z wkładem filtracyjnym papierowym,

• z w kładem filtracyjnym siatkowym,

• z wkładem filtracyjnym szczelinowym - czyszczone ręcznie lub samooczyszczające.

1. pompy wtryskowe i ich napęd - podają paliwo do wtryskiwacza sprężone do ciśnienia 40-100 MPa; dawkuje paliwo zależnie od chwilowego obciazenia silnika.

2. przewody paliwowe wysokiego ciśnienia.

3. wtryskiwacze,

11. regulator prędkości obrotowej.

Budowa i działanie pomp wtryskowych ( z zaworkiem przelewowym i tłoczkiem pokrętnym - Boscha).

Pompa wtryskowa podaje sprężone paliwo do wtryskiwacza pod ciśnieniem potrzebnym do właściwego rozpylenia paliwa.

Ogólne zasady budowy pomp wtryskowych.

Są to pompy wyporowe typu tłokowego składające się z:

• cylindra,

• tłoka,

• zaworu zwrotnego,

• napędu tłoka.

Rozwiazania konstrukcyjne:

• jednocylindrowe,

• wielocylindrowe - zblokowane ( silniki małych mocy).

Materiały:

• stal stopowa wysokiej jakości

• wykonane i spasowane z bardzo dużą precyzją ( tolerancje wykonania tłoka i cylinderka tzw. pary precyzyjnej wynoszą 2-6μm lub jeszcze precyzyjniejsze do 1,5-1μm dla zespołów prądotwórczych - dla porównania grubość włosa ludzkiego 60μm).

Napęd pomp wtryskowych.

Ruch roboczy tłoka wymusza krzywką, ruch powrotny sprężyną.

Krzywki osadzane na wale krzywkowym(rozrządu) z możliwością kątowego przestawienia (regulacja początku wtrysku paliwa) lub odkute razem z nim ( silniki małej mocy).

Max wydajność pomp wtryskowych - dwa razy większa niż zapotrzebowanie paliwa przez silnik przy max obciążeniu a chwilowa wydajność proporcjonalna do chwilowej mocy silnika sterowana jest mechanizmem wydajności pompy.

W zależności od sposobu regulacji wydajności chwilowej, pompy wtryskowe dzielimy na:

• pompy wtryskowe z regulacją zaworową,

• pompy wtryskowe z pokrętnymi (obrotowymi) tłokami.

Pompy wtryskowe z zaworową regulacją wydajności.

1. z regulacją wydajności zaworem przelewowym na tłoczeniu - zespoły prądotwórcze i silniki główne ( rys.9.33), cecha charakterystyczna - stały początek sprężania paliwa i zmienny koniec wtrysku (rys.9.34-charakterystyka;rys. 9.35),

2. z regulacją zaworem przelewowym na ssaniu - silniki główne (rys.9.36; rys. 9.37-charakterystyka; rys. 9.38) - zmienny początek sprężania paliwa,

3. z regulacją wydajności zaworem przelewowym na ssaniu i tłoczeniu (rys.9.39; rys. 9.41) - silniki główne, zmienny początek i koniec wtrysku paliwa z możliwością niezależnego starowania bez konieczności przestawiania krzywek paliwowych ( rys. 9.40).

Pompy wtryskowe z obrotowymi (pokrętnymi) tłokami ( rys. 9.42). - inaczej zwane pompami z otworami przelewowymi.- najpopularniejsze typu Bosch.

Zmianę chwilowej wydajności pompy wtryskowej uzyskuje się przez obrót ( kątowe przestawienie) tłoka.

Odmiany tłoków pomp wtryskowych z obrotowym tłokiem ( rys.9.43;rys. 9.44):

• tłok regulujący koniec wtrysku,

• tłok regulujący początek wtrysku,

• tłok regulujący początek i koniec wtrysku.

Zapobieganie drganiom mechanicznym - konstrukcyjnie wg rysunku 9.45.

Urządzenia do zmiany momentu wtrysku.

Regulacja zmiany momentu wtrysku jest niezbędna, gdy silnik zasilany jest paliwem niskiej jakości lub pracuje na obciążeniu poniżej znamionowego.

Dodatkowe urządzenie regulacyjne - FQS ( Fuel Quality Setting), służące do zmiany momentu wtrysku paliwa (rys.9.46; 9.47).

Stosowane jest również urządzenie typu VIT ( Variable Injection Timing)- rys. 9.47.

Krzywki paliwowe - napędzają tłoki pomp wtryskowych, niesymetryczne dla silników nienawrotnych, symetryczne dla silników nawrotnych.

Ze względu na osadzenie na wale:

• nieprzestawne - odkute razem z wałem lub wykonane oddzielnie i osadzone na wale na stałe (silniki małej i średniej mocy), brak możliwości zmiany początku wtrysku dla każdego cylindra,

• przestawne - silniki dużej mocy, możliwość zmiany początku wtrysku (rys.9.51).

Wtryskiwacze.

Zadaniem wtryskiwacza jest:

• optymalne rozpylenie wtryskiwanego do komory spalania paliwa,

• równomierne nasycenie nim znajdującego się tam powietrza, tak aby wytworzyła się mieszanina paliwowo-powietrzna o żądanej mikro- i makrostrukturze.

Praca wtryskiwacza wywiera zasadniczy wpływ na silnik i proces roboczy, głownie na:

• przebieg i jakość spalania,

• sprawność ogólna silnika,

• obciążenia cieplne i mechaniczne.

Zasada działania.

Obecnie stosowane są wtryskiwacze zamknięte z iglicą otwieraną siła ciśnienia sprężonego paliwa.

Budowa - rys.9.54.

Odmiany wtryskiwaczy - różnią się głównie rodzajem końcówki wtryskiwacza zwanej rozpylaczem.

Zależnie od liczby otworów (dysz) rozpylacze mogą być:

• jednootworowe (czopikowe i bezczopikowe) - rys.9.55; 9.56.(silniki łodzi ratunkowych, silniki zespołów prądotwórczych).

• wielootworowe ( 2-10 otworów o średnicy 0,2 - 0,8 mm), kąt wtrysku 40-160^o

( przykładowe oznaczenie rozpylacza np. 8 x 0,4 -150)

Wtryskiwacze z końcówkami:

• chłodzonymi - rys.9.58; 9.59 ( w celu utrzymania temperatury dyszy dla zapewnienia właściwiej jakości rozpylania, szczelności i trwałości),

• nie chłodzonymi (elementy wykonane z żaroodpornej stali) - rys.9.60 (okres międzyprzeglądowy do 8 tys. godz.; trwałość pary precyzyjnej ok.32 tys. godz.)

Budowa wtryskiwaczy zamkniętych.

Budowa i rodzaje rozpylaczy - rys.9.54; 9.57;

Rozpylacz składa się z:

• prowadnicy,

• iglicy,

• dyszy.

Para precyzyjna ( prowadnica z iglicą oraz dysza w komplecie lub oddzielna) - spasowane z luzem 2-4 μm, wymieniane w komplecie.

Przewody paliwowe wysokiego ciśnienia - zwane przewodami wtryskowymi lub rurkami paliwowymi.

Wykonane z grubościennych ciągnionych rur stalowych w stosunku d_z/d_w = 4 - 5;

Posiadają jednakową długość dla danego silnika, połączone złączkami śrubowymi miedzy sobą oraz z króćcami wtryskiwaczy i pomp wtryskowych.( rys.9.52).

Zapobiegając skutkom pękania (przeciekom mogących spowodować niebezpieczeństwo pożaru w siłowni) stosuje się przewody dwuścienne - rys.9.53.

Regulatory prędkości obrotowej.

Regulatory silników prądotwórczych i silników głównych współpracują ze śrubą napędową lub prądnicą i mają za zadanie utrzymanie stałych obrotów zespołu prądotwórczego lub zadanych obrotów śruby napędowej statku w zmiennych warunkach obciazenia.

Regulatory:

• bezpieczeństwa - zapewniają zadziałanie po przekroczeniu nominalnej prędkości obrotowej o 15%.

• wielozakresowe - regulator oddziaływuje na dawke paliwa w wypadku zmiany mocy pobieranej przez odbiornik mocy ( śruba lub prądnica).

Uproszczony schemat blokowy układu regulacji prędkości obrotowej - rys.9.61.

Do regulacji silników stosuje się regulatory mechaniczne typu bezwładnościowego wyposażone w masy wirujące tzw. bezwładniki.

W zależności od rodzaju sprzężenia zespołu sterującego z członem sterującym pompy wtryskowej regulatory dzielimy na:

• bezpośredniego działania - rys.9.62a,; 9.68; 9.69;

• pośredniego działania - rys 9.62b; 9.70;

Dla zapewnienia stabilnej pracy stosowane są regulatory ze sprzężeniem zwrotnym i rozróżniamy:

• ze sztywnym sprzężeniem zwrotnym - rys.9.63.

• z podatnym (izodromowym)sprzężeniem zwrotnym - rys.9.64; rys.9.72 - regulator Woodwarda.

z kombinowanym (proporcjonalno-izodromowym) sprzężeniem zwrotnym.

Instalacje chłodzenia tłoków - wpływ intensyfikacji chłodzenia na budowę konstrukcyjną podzespołów.

Ze względów wytrzymałościowych i wypalania materiału denek wszystkie tłoki współczesnych silników okrętowych o średnicy powyżej 250-300 mm są prawie zawsze chłodzone.

Celem chłodzenia jest ograniczenie temperatury denek do wartości gwarantującej wytrzymałość materiału.

Tłoki nie chłodzone przekazują ciepło wodzie chłodzacej obiegu chłodzenia tulei, głowic przez pierścienie tłokowe, płaszcz tłoka i tuleję cylindrową.

Tłoki chłodzone cześć tego ciepła oddają bezpośrednio czynnikowi chłodzącemu.

Efektywność chłodzenia powinna wynikać z zamierzonego celu.

Zbyt intensywne chłodzenie może powodować:

• nadmierne duże różnice temperatur i dodatkowe naprężenia w ściankach tłoka,

• dodatkowe straty ciepła, a w rezultacie spadek sprawności efektywnej i wzrost jednostkowego zużycia paliwa,

• obniżenie temperatury denka poniżej temperatury punktu rosy spalin, zwłaszcza przy obciążeniach częściowych.

Czynniki chłodzące tłok:

• olej smarowy - używany do chłodzenia tłoków silników wodzikowych i bezwodzikowych(rys.11.14)

Zaletą jest prostota rozwiazania układu doprowadzenia oleju do przestrzeni chłodzącej.

Wadą jest tworzenie się osadów, przyspieszenie się starzenia oleju obiegowego i mały skutek chłodzenia 3,5- 4 razy mniejszy niż wody.

• woda słodka

Zalety: duży skutek chłodzenia, brak osadów w przestrzeniach wodnych tłoka umożliwia znaczne obniżenie temperatury tłoków, zapobiegając wypalaniu się denek i wpływa na zmniejszenie temperatury górnych partii tulei cylindrowej. Obniża koszty inwestycyjne - zmniejszenie wymiarów pomp o chłodnic w stosunku do pomp olejowych i chłodnic oleju oraz umożliwia zastąpienie pomp olejowych (drogich i skomplikowanych) pompami odśrodkowymi.

Wada - możliwość awaryjnego zanieczyszczenia oleju obiegowego wodą oraz erozja chłodzonej powierzchni tłoka spowodowana uderzeniami strugi wody.

Sposoby chłodzenia - chłodzenie natryskowe (rys.11.15) i przepływowe ( rys.11.16)

Sposoby doprowadzania czynnika chłodzącego do tłoków:

• kanałami w wale korbowym i korbowodzie- rys.11.23 a,b, ciśnienie oleju 0,4 - 0,6 MPa,

• rurami teleskopowymi - rys.11.17; 11,18;1 1.19 - doprowadza się zarówno olej jak i wodę chłodzącą,

• układem rur połączonych przegubowo- rys.11.22 - olej chłodzący z instalacji smarowania łozysk.

Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych - rys.11.23; 11.24; 11.25; 11.26; 11.27;

Instalacje chłodzenia wtryskiwaczy.

Wtryskiwacze silników okrętowych zasilane paliwem ciężkim wymagają chłodzenia ze względu na duże obciążenie cieplne.

Do chłodzenia wtryskiwaczy stosuje się: olej smarowy, olej napędowy lub wodę słodką.

W najnowszych rozwiązaniach eliminuje się oddzielne obiegi chłodzenia wtryskiwacza - rys.9.60 ( wtryskiwacz chłodzony przepływającym przez niego paliwem podgrzanym do temperatury wtrysku).

Instalacja olejenia silnika - temat nr 14 (2).

Funkcje i zadania oleju w silniku.

Smarowanie jest to fizyczne, częściowe lub całkowite oddzielenie wzajemne współpracujących powierzchni, poruszających się względem siebie elementów silnika poprzez doprowadzenie czynnika smarującego pomiędzy współpracujące powierzchnie przez odpowiedniej konstrukcji pompy olejowe lub hydrodynamiczne.

Czynniki smarujące:

• oleje smarowe,

• smary stałe.

Zadania oleju smarowego:

• zmniejszenie tarcia pomiędzy współpracującymi częściami silnika,

• zmniejszenie intensywności zużywania się współpracujących powierzchni,

• zmniejszenie oporów ruchu ( moc utracona wskutek tarcia wynosi 3-6% mocy indykowanej)

N_μ = ϕ N_i gdzie; ϕ - współczynnik tarcia 0,04-0,08.

• chłodzenie powierzchni trących,

• ochrona przeciwkorozyjna,

• odprowadzenie z powierzchni trących produktów zużycia ciernego, amortyzowanie obciążenia,

• uszczelnianie pierścieni tłokowych, neutralizowanie związków kwasowych powstałych w procesie spalania,

• chłodzenie tłoków, prowadnic wodzika i wtryskiwaczy.

Najważniejszymi elementami silnika okrętowego wymagającymi smarowania są:

• łożyska układu korbowo-tłokowego,

• tłoki i tuleje cylindrowe,

• wodziki i prowadnice,

• łożyska wałów rozrządu,

• łożyska turbosprężarek,

• przekładnie napędowe,

• tuleje i łożyska sprężarek ładujących,

• trzony zaworów,

• łożyska dźwigni zaworowych,

• przeguby cięgien regulacyjnych i sterujących,

• elementy układu rozruchowego i nawrotnego,

• elementy zdalnego i automatycznego sterowania.

Uproszczony schemat instalacji smarowania silnika okrętowego - rys.10.1.

W zależności od sposobu doprowadzenia oleju do miejsc smarowych rozróżnia się systemy sterowania:

• smarowanie obiegowo-ciśnieniowe(cisnienie oleju w obiegu 0,2-0,4 MPa dla silników wolnoobrotowych i 0,3-0,6 MPa dla silników pomocniczych) - schemat instalacji rys.10.1

• smarowanie przepływowo-kroplowe - smarowanie tulei cylindrowej,

• smarowanie mgłą olejową- elementy znajdujące się w skrzyni korbowej.

Eksploatacyjne wskaźniki jakości olejów smarowych:

• lepkość - minimalna 3cSt / 1,2 ^oE, w trakcie eksploatacji maleje lub wzrasta,

• wskaźnik lepkości - miara zmian lepkości ( indeks wiskozowy),

• temperatura krzepnięcia,

• odporność na utlenianie i własności przeciwkorozyjne- stosowanie dodatków (inhibitorów syntetycznych zwiększających odporność na utlenianie i własności przeciwkorozyjne),

• własności zmywające- dodatki myjąco-despergujące zwiększające zmywalność nagarów,

• zdolność zobojętniania kwaśnych produktów spalania - oleje do smarowania tulei cylindrowych silników pracujących na paliwie ciężkim ( TBN - total base number, zasadowość określająca zawartość mg KOH/g oleju).

• smarowność- zdolność przylegania cząsteczek oleju do powierzchni smarowanych jest to istotne przy pracy rozruchowej i manewrowej silnika.

• stabilność termiczną - istotna przy chłodzeniu tłoków olejem ( wytracanie się osadów na ściankach tłoka)

• zdolność wydzielania wody - utrata dodatków, powstawanie emulsji.

Instalacja oleju smarowego.

Zadania instalacji olejowej:

• instalacja zasilająca: obiegowo-ciśnieniowa i przepływowa ( kroplowa)

• instalacja transportowa

• instalacja oczyszczająca.

Instalacja obiegowo-ciśnieniowa silnika głównego.

Sposoby doprowadzenia oleju do łozysk układu korbowo-tłokowego - rys.10.8.

a/ kanałami drążonymi w wale korbowym i korbowodzie.

b/ przez wahacze (przeguby) olejowe.

Instalacja ciśnieniowo-obiegowa silników zespołów prądotwórczych.

Schemat instalacji obiegowo-ciśnieniowej oleju smarowego silnika zespołu prądotwórczego - rys.10.6.

Schemat doprowadzenia oleju do wszystkich miejsc smarowanych silnika pomocniczego - rys.10.7.

Urządzenia instalacji olejowej obiegowo-ciśnieniowej.

• pompy oleju: silniki małej i średniej mocy - pompy zębate napędzane od wału korbowego, silników dużych mocy - pompy śrubowe napędzane silnikami elektrycznymi, cisnienie 0,3-05 MPa lub 0,4-0,6 MPa, gdy są chłodzone tłoki,

• filtry oleju - zgrubne i dokładne, szczelinowe, siatkowe, magnetyczne, odśrodkowe, włókienne,

zamontowane szeregowo lub bocznikowo.

• chłodnice oleju - chłodnice rurowe i płytowe.

Smarowanie tulei cylindrowych.

• Smarowane mgłą olejową powstałą wskutek rozdrobnienia kropel oleju w karterze - silniki czterosuwowe małych mocy (D ≤ 250 - 300mm) i n ≥ 400 obr/min.

• Olejem doprowadzonym na gładź cylindrów pod ciśnieniem - olej o szczególnych własnościach doprowadzany za pomocą oddzielnej instalacji. Grubość warstwy, co najmniej 0,1 μm w postaci filmu olejowego - smarowanie pierścieni tłokowych i tulei cylindrowych.

Rola oleju cylindrowego:

• neutralizacja związków kwasowych powstałych w wyniku spalania siarki w paliwie,

• zapobieganie zanieczyszczeniu przestrzeni roboczej silnika, rowków pierścieni tłokowych oraz okien wylotowych i dolotowych.

• wspomaganie uszczelniającego działania pierścieni tłokowych.

Instalacja smarowania tulei cylindrowej - rys. 10.19.

Schemat smarowania tulei cylindrowej -rys. 10.20.

Elementy instalacji smarowania tulei cylindrowej:

• pompy smarowe - lubrykatory - rys. 10.21; rys.10.22; rys.10.23; rys.10.24;

• króćce smarowe- rys.10.25; rys. 10.26;

• akumulatory ciśnienia - rys. 10.28;

• napęd lubrykatorów - rys. 10.29.

System rozruchu i sterowania pracą silnika.

a/ zasady tworzenia momentu napędowego w czasie rozruchu pneumatycznego (obieg cieplny rozruchu pneumatycznego), działanie elementów w pneumatycznej instalacji rozruchu, działanie rozdzielacza i zaworu rozruchowego.

b/ zasady przesterowania wału korbowego w czasie rozruchu w dwóch kierunkach obrotów silnika (nawrotność).

c/ omówienie zabezpieczeń wbudowanych w systemie sterowania silnikiem.

d/ opis współdziałania układu sterowania podczas manewrowania silnikiem.

Zasadniczym zadaniem układu rozruchowo-nawrotnego jest nadanie silnikowi prędkości obrotowej zapoczątkującej proces roboczy( wykonanie pracy sprężenia ładunku i pokonanie oporów tarcia i bezwładności).

Zadaniem pomocniczym jest szybkie wyhamowanie silnika okrętowego w razie konieczności nadania statkowi wstecznego napędu.

Rozruch silnika okrętowego odbywa się sprężonym powietrzem o ciśnieniu 2,5 - 3,0 MPa.

Silniki pomocnicze czterosuwowe do 5 cylindrów uruchamia się rozrusznikami pneumatycznymi a mniejsze rozrusznikiem elektrycznym.

Silniki okrętowe dużej i średniej mocy budowane są jako nawrotne przy napędzie statku śrubą napędową o stałym skoku.

Silniki napędzające śrubę o zmiennym skoku mogą być silnikami nienawrotnymi.

Momenty rozrzadu czynnika roboczego, paliwa i powietrza rozruchowego ogólnie nie są symetryczne względem GMP i DMP i z tego powodu krzywki biegu naprzód nie zapewniają prawidłowego rozrządu czynnika roboczego, paliwa i powietrza rozruchowego podczas biegu wstecz.

Prawidłowy rozrząd tych czynników dla obu kierunków prędkości obrotowej uzyskuje się:

• przez stosowanie dwóch kompletów krzywek, oddzielnie dla biegu wstecz i biegu naprzód - w tym

przypadku krzywki wraz z wałem rozrzadu przestawiane są osiowo w drugim kątowo.

• przez obrót symetrycznych krzywek o określony kąt - wykonywane jest to przez kątowe przesterowanie elementu napędzanego przez krzywkę ( rolki), czyli względne, przesterowanie kątowe krzywki.

Układ rozruchowy i nawrotny spełniają wprawdzie różne zadania, jednak ich działanie jest wzajemnie zależne przez blokady i zabezpieczenia uniemożliwiające rozruch silnika nie przesterowanego lub przesterowanego w niewłaściwym kierunku.

Powietrze potrzebne do rozruchu silników głównych i zespołów prądotwórczych gromadzi się w zbiornikach stalowych o pojemności określonej przepisami klasyfikacyjnymi dla danego silnika.

Pojemność jednego zbiornika powinna wystarczyć, bez uzupełniania zbiornika, na co najmniej sześć rozruchów silnika nienawrotnego ( od stanu zimnego) i dwanaście dla silnika nawrotnego.

Ilość zużywanego powietrza zależy od:

• właściwości konstrukcyjnych silnika ( rodzaju wtrysku, stosunku sprężania, itp.),

• jego temperatury,

• oraz przy rozruchu ręcznym od umiejętności manewrującego.

Zespól urządzeń i mechanizmów układu rozruchowo nawrotnego można podzielić na:

• podstawowy układ rozruchowy - zespół urządzeń i mechanizmów służących do rozruchu silnika bez urządzeń pomocniczych, awaryjnych, kontrolnych i automatycznego sterowania,

• podstawowy układ nawrotny.

Podstawowy układ rozruchowy silników głównych.

Schemat (rys.8.3) - układ zawiera:

• samoczynny zawór manewrowy,

• kolektor powietrza rozruchowego,

• zawory rozruchowe,

• zawór wstępnego sterowania,

• rozdzielacz powietrza, zbiornik sprężonego powietrza,

• przewody łączące poszczególne urządzenia.

Wymienione elementy tworzą następujące zespoły funkcjonalne(rys.8.3):

• instalację roboczego powietrza rozruchowego,

• instalacje powietrza sterowania wstępnego,

• instalacje powietrza sterowania zaworem rozruchowym.

Uproszczone układy rozruchowe ( rys.8.4).

Urządzenia i mechanizmy podstawowego układu rozruchowego:

• samoczynne zawory manewrowe ( rys. 8.5; 8.6; 8.7; 8.8) - sterowane pneumatycznie lub awaryjnie ręcznie.

• zawory rozruchowe - sterowane pneumatycznie powietrzem z oddzielnego obiegu (silniki główne i pomocnicze) lub bezpośrednio powietrzem roboczym (czasami silniki pomocnicze oraz główne malej mocy).

Wykonywane w dwóch odmianach:

a/ otwierane powietrzem i zamykane sprężyną(jednostronnie pneumatyczne)- rys.8.9- odlotem i dolotem powietrza

sterującego steruje rozdzielacz powietrza rozruchowego; rys.8.10; - zawory silników pomocniczych, bezpośrednio

osadzone w głowicy, rys.8.13 - zawór rozruchowy firmy B&W.

b/ otwierane i zamykane powietrzem sterującym ( dwustronnie pneumatycznie sterowane) - ryz.8.11 - zasada

działania zaworu sterowanego dwustronnie, rys.8.12 - przekrój poprzeczny.

• rozdzielacze powietrza - zadaniem rozdzielacza jest sterowanie otwarciem i zamknięciem zaworów rozruchowych w okresie rozruchu / hamowania silnika w odpowiednich katach OWK / pozycjach tłoka w tulei cylindrowej.

Początek rozruchu α_PR = 5-0^o przed GMP

α_KR = 75-100^o po GMP

Początek hamowania α_PR = 100-75^o przed GMP

α_KR = 0^o przed GMP

Pod względem konstrukcyjnym rozdzielacze dzielimy na:

• zaworowe - rys.8.14.a; 8.15;

• suwakowe - rys.8.14b; 8.16;

• tarczowe-rys. 8.14c; 8.17;

Schematy uproszczone - rys.8.14.

• zawory wstępnego sterowania - znajdują się na stanowisku manewrowym lub pulpicie sterowniczym w CMK.

Podział pod względem konstrukcyjnym:

1. suwakowe (rys.8.18a)

2. grzybkowe (rys 8.18b) - zawór sterowany zdalnie lub automatycznie ( jako zawór wstepny oraz samoczynny zawór manewrowy).

Układ powietrza rozruchowego do pracy automatycznej - rys.8.19.

Układ rozruchowy z siłownikiem pneumatycznym - rys.8.20.

Hamowanie układu napędowego powietrzem rozruchowym.

---