Morskie silniki wysokoprężne charakteryzują się wysoką sprawnością cieplną, dobrą ekonomicznością, łatwym rozruchem i doskonałymi możliwościami dostosowania do różnych typów statków. Po ich wprowadzeniu szybko zaczęto je wykorzystywać jako napęd statków. W latach pięćdziesiątych silniki wysokoprężne prawie całkowicie zastąpiły silniki parowe w nowo budowanych statkach. Morskie silniki wysokoprężne stały się głównym źródłem zasilania statków cywilnych, małych i średnich statków oraz konwencjonalnych łodzi podwodnych. Okrętowe silniki wysokoprężne można podzielić na silniki główne i silniki pomocnicze ze względu na ich funkcję na statkach. Silnik główny służy do napędu statków, natomiast silnik pomocniczy służy do napędzania generatorów, sprężarek powietrza lub pomp wodnych.
Morskie silniki wysokoprężne dzieli się ogólnie na wysokoobrotowe, średnioobrotowe i wolnoobrotowe silniki wysokoprężne, a główne wskaźniki wydajności trzech typów silników wysokoprężnych wymieniono w tabeli.
Wprowadzenie i zastosowanie
Przez większość czasu silniki okrętowe pracują przy pełnym obciążeniu, a czasami działają w warunkach zmiennego obciążenia. Statki często poruszają się po nierównym terenie, dlatego morskie silniki wysokoprężne powinny działać niezawodnie w warunkach nachylenia wzdłużnego wynoszącego 15 stopni -25 stopnia i nachylenia poprzecznego 15 stopni -35 stopnia. Większość statków wykorzystuje silniki wysokoprężne z turbodoładowaniem (patrz turbodoładowanie silników spalinowych ), a silniki wysokoprężne bez turbodoładowania o małej mocy są używane tylko na małych łodziach. Większość wolnoobrotowych silników wysokoprężnych to silniki dwusuwowe, większość średnioobrotowych silników wysokoprężnych to silniki czterosuwowe, a wysokoobrotowe silniki wysokoprężne mają jedno i drugie. Formy przepłukiwania dwusuwowych silników wysokoprężnych do zastosowań morskich obejmują odprowadzanie refluksu, oczyszczanie DC zaworu przelotowego i przepłukiwanie przeciwstawnych otworów tłokowych. W średnio- i wolnoobrotowych silnikach wysokoprężnych dużej mocy powszechnie wykorzystuje się ciężki olej napędowy jako paliwo, podczas gdy w wysokoobrotowych silnikach wysokoprężnych nadal w większości wykorzystuje się lekki olej napędowy.
wolnoobrotowy silnik wysokoprężny
Bezpośrednie napędzanie śmigła wymaga mniejszej prędkości obrotowej, aby osiągnąć wysoką sprawność napędu. Średnio i wysokoobrotowe silniki wysokoprężne napędzają śmigło poprzez skrzynię biegów, która zwykle jest wyposażona w mechanizm nawrotny w celu uzyskania odwrócenia śmigła. Jednakże wolnoobrotowe silniki wysokoprężne i niektóre średnioobrotowe silniki wysokoprężne mogą się odwrócić. Średnio i szybkoobrotowe silniki wysokoprężne są również napędzane elektrycznie za pośrednictwem układu pędnego silnika generatora. Gdy wymagana jest duża moc, można używać równolegle wielu maszyn, a do nawigacji przy niskich prędkościach można używać tylko jednego silnika głównego, poprawiając w ten sposób wydajność operacyjną i niezawodność. W przypadku instalowania dwóch silników głównych na tym samym statku, dzieli się je na silnik lewy i silnik prawy, zgodnie z pozycją montażu i kierunkiem śmigła.
Zasada działania
dwusuwowy silnik wysokoprężny
Silnik wysokoprężny, który wykonuje jeden cykl roboczy poprzez dwa skoki tłoka, nazywany jest dwusuwowym silnikiem wysokoprężnym. Silnik olejowy wykonuje jeden cykl roboczy tylko przy jednym obrocie wału korbowego. W porównaniu z czterosuwowym silnikiem wysokoprężnym poprawia on moc wyjściową i wykazuje znaczne różnice w specyficznej budowie i zasadach działania.
Podstawowa konstrukcja dwusuwowego silnika wysokoprężnego jest taka sama jak czterosuwowego silnika wysokoprężnego, z tą różnicą, że główna różnica dotyczy mechanizmu rozrządu. Dwusuwowe silniki wysokoprężne nie mają zaworów dolotowych, a niektóre nie mają nawet zaworów wydechowych. Zamiast tego w dolnej części cylindra znajdują się otwory oczyszczające i wylotowe; Lub skonfiguruj port przepłukiwania i mechanizm zaworu wydechowego. Zainstalowano także specjalną pompę przepłukiwającą napędzaną ruchomymi częściami oraz skrzynkę przepłukiwającą do magazynowania powietrza pod ciśnieniem, co upraszcza konstrukcję silnika wysokoprężnego poprzez wykorzystanie koordynacji pomiędzy tłokiem a otworem powietrznym w celu zakończenia dystrybucji powietrza. Schemat przedstawia zasadę działania dwusuwowego silnika wysokoprężnego. Pompa oczyszczająca jest zamontowana z jednej strony silnika wysokoprężnego, a jej wirnik napędzany jest przez silnik wysokoprężny. Powietrze jest zasysane z pompy, sprężane i odprowadzane, a następnie magazynowane w zbiorniku o dużej objętości, gdzie utrzymuje określone ciśnienie.
4-suw silnika wysokoprężnego
Pracę silnika wysokoprężnego uzupełniają cztery procesy: dolot, sprężanie, wytwarzanie mocy i wydech, które tworzą cykl roboczy. Silnik wysokoprężny, w którym tłok wykonuje cykl roboczy w czterech procesach, nazywany jest czterosuwowym silnikiem wysokoprężnym. Teraz porównaj to z powyższą animacją, aby wyjaśnić zasadę działania.
Pierwszy skok - ssanie, jego zadaniem jest napełnienie cylindra świeżym powietrzem. Kiedy rozpoczyna się suw ssania, tłok znajduje się w górnym martwym punkcie, a w komorze spalania cylindra pozostaje jeszcze trochę spalin.
Kiedy wał korbowy obraca się w kolanie, korbowód przesuwa tłok z górnego martwego punktu do dolnego martwego punktu i jednocześnie wykorzystuje mechanizm przekładni połączony z wałem korbowym do otwarcia zaworu dolotowego.
Gdy tłok porusza się w dół, objętość nad tłokiem w cylindrze stopniowo wzrasta, powodując, że ciśnienie powietrza wewnątrz cylindra jest niższe niż ciśnienie wewnątrz rury wlotowej, w związku z czym powietrze zewnętrzne w sposób ciągły wypełnia cylinder.
Animacja pokazuje zmianę ciśnienia gazu w butli w zależności od objętości cylindra podczas procesu dolotu. Oś pionowa na rysunku przedstawia ciśnienie gazu P, a oś pozioma przedstawia objętość cylindra Vh (lub impuls tłoka S). Wykres ten nazywany jest diagramem wskaźnikowym. Krzywa ciśnienia na rysunku przedstawia prawo zmian ciśnienia gazu wewnątrz cylindra podczas pracy silnika wysokoprężnego. Z gleby widać, że rozpoczyna się pobieranie, które ze względu na obecność resztkowych spalin jest nieco wyższe od ciśnienia atmosferycznego P{{0}}. Podczas procesu dolotowego, ze względu na opór przepływu wytwarzany przez powietrze przechodzące przez rurę dolotową i zawór dolotowy, ciśnienie gazu podczas suwu dolotowego jest niższe od ciśnienia atmosferycznego i waha się od 0,085 do 0,095 MPa. Przez cały proces dolotu ciśnienie gazu wewnątrz cylindra pozostaje mniej więcej stałe.
Kiedy tłok porusza się w dół i zbliża się do dolnego martwego punktu, przepływ powietrza wchodzącego do cylindra nadal ma dużą prędkość i dużą bezwładność. Aby wykorzystać bezwładność przepływu powietrza do zwiększenia stopnia napompowania, zawór wlotowy zamyka się dopiero po przejściu tłoka przez dolny martwy punkt. Chociaż tłok porusza się w tym momencie do góry, ze względu na bezwładność przepływu powietrza, gaz może nadal wypełniać cylinder.
Drugi skok - kompresja. Podczas sprężania tłok przemieszcza się z dolnego martwego punktu do górnego martwego punktu. Suw ten spełnia dwie funkcje: po pierwsze, podnosi temperaturę powietrza i przygotowuje do samozapłonu paliwa; po drugie, stworzyć warunki do ekspansji i pracy gazu. Gdy tłok porusza się w górę i zawór dolotowy zamyka się, powietrze w cylindrze zostaje sprężone. W miarę zmniejszania się objętości ciśnienie i temperatura powietrza stale rosną. Ciśnienie i wilgotność na końcu sprężania są powiązane ze stopniem sprężania powietrza, czyli stopniem sprężania. Ogólnie rzecz biorąc, ciśnienie i temperatura na końcu sprężania wynoszą Pc=4-8MPa, Tc=750-950K.
Temperatura samozapłonu oleju napędowego wynosi około 543-563K, a temperatura na końcu sprężania jest znacznie wyższa niż temperatura samozapłonu oleju napędowego, która jest wystarczająca do zapewnienia zapłonu i spalania paliwa wtryskiwanego do cylindra własne.
Olej napędowy wtryskiwany do cylindra nie zapala się natychmiast, a zapala się dopiero po przejściu zmian fizycznych i chemicznych. Ten okres czasu wynosi około 0.001-0.005 sekundy i jest nazywany okresem opóźnienia zapłonu. Dlatego też należy rozpocząć wtryskiwanie rozpylonego paliwa do cylindra przy kącie obrotu wału korbowego wynoszącym 10-35 stopnia, zanim wał korbowy osiągnie górny martwy punkt, a najwyższe ciśnienie spalania w komorze spalania osiągnąć w momencie osiągnięcia przez wał korbowy {{ 4}} stopnia za górnym martwym punktem, zmuszając tłok do ruchu w dół.
Trzeci udar - praca. Na początku tego suwu większość paliwa wtryskiwanego do komory spalania zostaje spalona. Podczas spalania wydziela się duża ilość ciepła, co powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia i temperatury gazu. Tłok porusza się w dół pod działaniem gazu o wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem i obraca wał korbowy przez korbowód, aby wykonać pracę zewnętrzną. Zatem ten skok nazywany jest również skokiem mocy lub skokiem roboczym.
Gdy tłok opada, objętość cylindra wzrasta, a ciśnienie gazu maleje. Skok roboczy kończy się, gdy tłok osiągnie dolny martwy punkt i otworzy się zawór wydechowy.
Na animacji rosnąca część linii zmiany ciśnienia podczas suwu roboczego przedstawia gwałtowny wzrost ciśnienia podczas spalania paliwa w cylindrze, a najwyższy punkt reprezentuje najwyższe ciśnienie spalania Pz. Ciśnienie i temperatura w tym momencie wynoszą:
Pz=6-15MPa, Tz=1800-2200K
Stosunek najwyższego ciśnienia spalania do ciśnienia końcowego sprężania (Pz/Pc) nazywany jest współczynnikiem wzrostu ciśnienia podczas spalania, wyrażanym jako λ. W zależności od różnych typów silników wysokoprężnych zakres wartości λ przy mocy maksymalnej jest następujący: λ=Pz/Pc=1.2-2.5.
Czwarty suw – wydech. Funkcja suwu wydechu polega na wypuszczeniu rozprężonych gazów spalinowych w celu napełnienia ich świeżym powietrzem i przygotowaniu do wlotu w następnym cyklu. Gdy tłok skoku roboczego przesuwa się w pobliże dolnego martwego punktu, zawór wydechowy otwiera się, a tłok przemieszcza się z dolnego martwego punktu do górnego martwego punktu pod napędem wału korbowego i korbowodu i usuwa spaliny z cylinder. Ze względu na opór w układzie wydechowym, na początku suwu wydechu, ciśnienie gazu wewnątrz cylindra jest o 0.025-0.035 MPa wyższe od ciśnienia atmosferycznego, przy temperaturze Tb wynoszącej {{4 }}K. Aby zmniejszyć opory ruchu tłoka podczas wydechu, zawór wydechowy otwiera się przed dolnym martwym punktem. Gdy tylko zawór wydechowy zostanie otwarty, gaz o określonym ciśnieniu natychmiast wypływa z cylindra, a ciśnienie wewnątrz cylindra gwałtownie spada. W ten sposób, gdy tłok porusza się w górę, spaliny z cylindra są odprowadzane poprzez ruch tłoka w górę. Aby wykorzystać bezwładność strumienia powietrza podczas wydechu i zapewnić czyste odprowadzanie spalin, zawór wydechowy zamyka się dopiero po osiągnięciu górnego martwego punktu.
Na animacji krzywa skoku wydechu przedstawia, że ciśnienie gazu wewnątrz cylindra jest prawie stałe podczas procesu wydechu, ale jest nieco wyższe niż ciśnienie atmosferyczne. Ciśnienie Pr na końcu suwu wydechu wynosi w przybliżeniu 0.105-0.115 MPa, a temperatura Pr resztkowych gazów spalinowych wynosi w przybliżeniu 850-960K.
Ze względu na to, że zawory dolotowe i wydechowe otwierają się wcześnie i zamykają późno; Zatem na końcu suwu wydechu i na początku suwu ssania, gdy tłok znajduje się w pobliżu górnego martwego punktu, następuje okres, w którym zawory dolotowy i wydechowy otwierają się jednocześnie, co jest reprezentowane przez kąt wału korbowego i nazywane kąt zachodzenia zaworów.
Po zakończeniu suwu wydechu rozpoczyna się ponownie suw ssania i cały cykl pracy powtarza się zgodnie z powyższym procesem. Ze względu na to, że cykl pracy tego silnika o zapłonie samoczynnym zamykają się na cztery skoki tłoka, czyli dwa obroty wału korbowego, nazywany jest on czterosuwowym silnikiem wysokoprężnym.
W czterech suwach czterosuwowego silnika wysokoprężnego tylko trzeci suw, będący impulsem roboczym, generuje moc do wykonania pracy zewnętrznej, natomiast pozostałe trzy suwy stanowią proces przygotowania do spożywania pracy. Aby to osiągnąć, w jednocylindrowym silniku wysokoprężnym należy zamontować koło zamachowe, wykorzystując bezwładność obrotową koła zamachowego, aby zapewnić ciągłą i równomierną pracę wału korbowego podczas czterech suwów.
Zalety strukturalne
1. Unikalna konstrukcja łożyska głównego typu ramowego, wysoka sztywność korpusu, mała amplituda drgań i niski poziom decybeli hałasu.
2. Jeden cylinder, jedna pokrywa, ułatwia konserwację pojazdu i zmniejsza koszty utrzymania.
3. Główne komponenty są stale kupowane na całym świecie, uzyskując wysoką konfigurację silnika.
4. Akcesoria do silnika wysokoprężnego są w pełni zainstalowane, wraz z chłodnicami powietrza, wymiennikami ciepła wody morskiej i słodkiej itp. zainstalowanymi na silniku wysokoprężnym, co ułatwia rozplanowanie komory silnika.
5. Układ chłodzenia silnika wysokoprężnego wykorzystuje metodę chłodzenia wodą z podwójnym obiegiem, wewnętrznym i zewnętrznym. Cyrkulacja wewnętrzna wykorzystuje świeżą wodę do chłodzenia silnika wysokoprężnego, podczas gdy obieg zewnętrzny wykorzystuje wodę morską do chłodzenia świeżej wody poprzez wymiennik ciepła słodkiej wody morskiej, co poprawia żywotność silnika wysokoprężnego.
6. Kompleksowy system ochrony i kontroli, wyposażony w przyrząd do monitorowania działania silnika wysokoprężnego, może automatycznie mierzyć i wyświetlać prędkość, temperaturę wody, temperaturę oleju i ciśnienie silnika wysokoprężnego. Gdy parametry silnika wysokoprężnego przekroczą limit, może on automatycznie zaalarmować i wyłączyć się, a opcjonalnie można wyposażyć go w przyrząd do zdalnego sterowania.
7. Doskonała konstrukcja wykorzystująca rurę wydechową z płaszczem wodnym w celu utrzymania niskiej temperatury w kabinie.
8. Ma dobre możliwości adaptacji i jest kompatybilny z kołami zamachowymi silników wysokoprężnych serii WD615C i WD618C, obudowami koła zamachowego, przyrządami do monitorowania silnika wysokoprężnego, rurami wydechowymi z płaszczem wodnym, pompami wody morskiej i innymi komponentami. Wymiary montażowe silnika wysokoprężnego, koła zamachowego i obudowy koła zamachowego są również takie same, co ułatwia dopasowanie i konserwację.
9. Przednie koło pasowe wału korbowego jest zarezerwowane z rowkiem koła pasowego i kołnierzem łączącym dla zewnętrznych urządzeń wyjściowych mocy.
